低功耗越障小车轨迹模拟分析

摘 要  论述了低功耗越障校车轨迹，并且对其进行模拟性的分析研究，针对转向机构的选择、空间四杆机构运动的基本方程、数据公式等进行综合性的分析研究，力求找出设计车辆的优点以及缺点，为相关工作的进步和发展做出积极的贡献。
关键词  低功耗；越障小车；轨迹分析；模拟分析
引言
越障小车主要是利用各种类型的机械结构，使得越障小车能够非常自如并且自动的绕过不同间距以及不同类型的障碍物，按照S形的路线前进。其具体的运行轨迹和路线如下图所示：
 
在这样前行的条件之下，需要越障小车可以有着极低的功耗并且还必须具有较好的轨迹的稳定性，进而可以在s形的运行路线之下保持车体的稳定和前行的无阻碍。
1.转向机构的选择
针对转向机构的选择是越障小车运行和研究当中的重点工作项目，也是一个首要的环节。无碳类型的越障小车，要求具有低功耗的特点，而要达到此目的，越障小车还需要要求有最着短的传动链，一级齿轮传动以及空间曲柄连杆机构的设计方式，它具有结构简单，传动效率较高的特点。
2．空间四杆机构运动方程
首先，需要建立如下图所示的坐标系。在此坐标系当中，各个符号的具体含义：
a:前轮到后球铰的水平距离
b：前轮到驱动轴的垂直距离
c：摇杆长度
d0：连杆长度
r：偏心距
：驱动轮A与转向轮横向偏距
：空套轮与转向轮的横向距离
：驱动轴与转向轮中心距离
R：驱动轮半径
 
  
由各个点坐标列向量方程可以得出如下的方程：

并且得出越障小车行车的轨迹方程以及后轮轴转过的实际角度：

小车移动的距离计算公式为（以右轮为参考）
当转向杆与驱动轴之间的夹角为α时，并且曲柄转过的角度为
则与可以满足以下的关系：

解上述方程，则可以得出与之间的函数关系式，如下所示：

则可以得出越障小车转弯之时的曲率半径计算公式为：

越障小车行走过程当中中，越障小车整体转过的角度则可以表示如下：

而当越障小车转过的角度为之时，则有如下的公式：

以越障小车的轮A为参考，在越障小车的运动坐标系当中，B的坐标可以表示为：
而在地面的坐标系当中，则有：


障碍物之间的间距为1米，通过整理之后，运用MATLAB进行越障小车的运动轨迹分析，通过数据分析之后，综合性的确定得出数据结果及参数：
R=0.0743;
a1=0.040;
a2=A-a1;
b=0.096;
c=0.057;
a=0.058;
r=0.0151;
d=0.036+b;
而通过程序模拟运行的结果
针对障碍物距离变化的应对，还需要分析各杆的实际长度对于越障小车运动轨迹的影响。可知改变偏心半径r则可以改变跨越障碍物的实际间距。
所以设置d0以及r为变量，运用MATLAB求出各种障碍物之间间距的d0以及r的值。求解得出障碍物之间的间距为1.1米。
同样的道理，可以通过计算，得出各个障碍物之间间距的r值。诸如： 
当障碍物之间的间距为110mm时，则可以通过计算得出r=18.1mm，90mm  r=10.1mm……..
下一阶段的工作，则是针对越障小车的运动轨迹稳定性进行分析以及越障小车的关键性结构的设计。连杆长度对于越障小车的运动轨迹的误差尤其的灵敏，由于存在误差上的累计，所以当连接杆的实际长度偏离0.1mm时，则会产生比较大的偏移，越障小车的实际运动轨迹如下图所示：
 
为了更加有效的保证越障小车运行轨迹的稳定性，还需要保障连杆的可调精度达到0.1mm，这一点极为关键。另外一个方面，在实践的设计当中，需要采用差动螺纹结构，并且选择M5类型以及M4类型的螺纹来进行调节。公式以及设计图如下所示：
                
为了全面的增大调节的数值范围，还需要增加微分筒，来作为辅助式的调节，具体的设计结构如下图所示：
 
螺纹之间的间隙，对于连接杆长度的影响比较大。所以，在实践的设计过程当中，还需要通过使用弹簧，来合理并且科学的消除螺纹之间的间隙，进而全面的减小螺纹间的间隙对于连接杆长度的实际影响。其具体的设计如下图所示：
 
连杆结构最终设计如下图所示：
 
经过上述的设计和分析研究，总结得出越障小车的优缺点，主要有以下几个方面的内容：
优点：
（1）采用精准度较高的微调机构，来合理的保证连接杆的长度，从而有效的保证了越障小车的运行路线轨迹的稳定性。
（2）采用空间类型的四杆机构，加一级齿轮传动，合理的减少了传动链的长度，从而保证了车辆低能耗的具体要求。
（3）越障小车的运行轨迹可以进行调节，以适应各种类型以及各种间距的障碍物。
缺点：对制造精确度的要求较高，并且针对零件的加工流程比较的复杂，在实践的工作当中需要注重这一方面的内容，并且需要进行深入的探讨和研究。
3结束语
综上所述，根据对低功耗越障小车的轨迹进行模拟研究，从实际的角度出发，层层的深入，针对设计的主要过程以及结构的图纸、轨迹等的多方面分析基础之上，针对越障小车的转向机构选择以及空间四杆的运动方程进行分析和研究，通过计算以及图纸的分析探究，逐步的得出越障小车最终设计的优点以及缺点，同时，针对具体设计过程当中的结构设计图纸、运动稳定性的分析、螺纹之间存在的间隙、连杆的精度、坐标向量以及各个障碍物之间的实际间距会对越障小车运动轨迹所造成的具体影响，进行详尽的探析，力求以此为基础，为相关工作的进步，做出积极的贡献，并且为技术的不断改进以及研究水平的不断进步，打下坚实的基础。
 
参考文献
【1】 张化.浅议越障小车运动轨迹的模拟图设计【J】.科技资讯研究，2010.9:62-63
【2】 柳治权.试论越障小车的运动轨迹稳定性及相关问题的研究【J】.现代科学技术发展研究，2011.10:102-105
【3】 刘威.浅议越障小车的运行轨迹及关键性的结构设计要点【J】.民营科技资讯，2008.6:112-116



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