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CN117963041A - 单动力转向无碳小车及其行驶计算方法 - Google Patents

单动力转向无碳小车及其行驶计算方法 Download PDF

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CN117963041A
CN117963041A CN202410083443.5A CN202410083443A CN117963041A CN 117963041 A CN117963041 A CN 117963041A CN 202410083443 A CN202410083443 A CN 202410083443A CN 117963041 A CN117963041 A CN 117963041A
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CN
China
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trolley
wheel
pawl
bottom plate
distance
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CN202410083443.5A
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常哲
冯佳豪
刘子涵
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China Three Gorges University CTGU
Original Assignee
China Three Gorges University CTGU
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Publication date
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Abstract

本发明提供一种单动力转向无碳小车及其行驶计算方法,该小车包括底板,所述底板前端的两侧分别设有第一车轮和第二车轮,底板上侧设有轴承支座,转轴通过轴承转动在轴承支座上,第一车轮和第二车轮安装在转轴的两端,转轴通过驱动机构驱动,第一车轮的一侧设有棘轮,底板上侧设有棘爪架,棘爪架上设有棘爪轴,棘爪转动安装在棘爪轴上,棘爪搭设在棘轮外侧与棘轮配合,底板后端底部设有支撑牛眼轮。该小车通过单动力即可实现小车行进以及转向,结构简单,容易实现。

Description

单动力转向无碳小车及其行驶计算方法
技术领域
本发明涉及行驶设备领域,特别涉及一种单动力转向无碳小车及其行驶计算方法。
背景技术
碳达峰碳中和是实现高质量发展的必由之路。加快新能源开发利用,倡导低碳生活,减少环境污染、改善空气质量和减少碳排放是应对全球变暖的必然选择。太阳能作为最常见的新能源,其可以被广泛应用。太阳能小车就是一种很好的应用方式。它将太阳能转化为电能,利用电能驱动小车以既定轨迹运行,实现了一定意义上的无碳。传统的无碳小车,以中国专利文献CN110496401A记载的“利用凸轮进行可变距行走路线的小车及凸轮推导方法”为例,具有以下缺点:1、势能占用空间大,因此在现实生活中不易实现对动能的转换;2、利用三级传动减速装置,同时利用凸轮和微调结构进行转向,传动装置和转向结构过于复杂;3、重物落下即启动不稳定,从而车身容易晃动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单动力转向无碳小车及其行驶计算方法,通过单动力即可实现小车行进以及转向。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种单动力转向无碳小车,包括底板,所述底板前端的两侧分别设有第一车轮和第二车轮,底板上侧设有轴承支座,转轴通过轴承转动在轴承支座上,第一车轮和第二车轮安装在转轴的两端,转轴通过驱动机构驱动,第一车轮的一侧设有棘轮,底板上侧设有棘爪架,棘爪架上设有棘爪轴,棘爪转动安装在棘爪轴上,棘爪搭设在棘轮外侧与棘轮配合,底板后端底部设有支撑牛眼轮。
优选的方案中,所述驱动机构包括步进电机,步进电机的输出轴设有主动齿轮,转轴上设有与主动齿轮啮合的从动齿轮。
优选的方案中,所述底板上侧设有对步进电机进行支撑的电机支架。
优选的方案中,所述棘爪架靠近棘爪的一侧顶部设有限位凸起,限位凸起设置在棘爪下方。
优选的方案中,所述转轴两端设有连接法兰,第一车轮、第二车轮和棘轮通过螺栓与对应的连接法兰连接。
优选的方案中,所示底板上设有供第一车轮和第二车轮穿过的车轮孔。
本发明还提供一种单动力转向无碳小车的行驶计算方法,包括如下步骤:
步骤一、将小车数学模型化:
令小车的第一车轮和第二车轮的两轮间距为d;
第一车轮和第二车轮的直径为D;
目标坐标总点数为n,其中n>=2;
转折点总数为m,其中m=n-2;
目标坐标点设为(x[i],y[i]),其中i=0,1,2…n;
目标坐标点中,(x[i],y[i])(i=1,2,3…(n-1))为转折点;
小车所走的直行距离为数组len1[j],其中j=0,1,2…(n-1);
小车转弯时所走的距离为数组len2[j],其中j=0,1,2…(n-1);
步进电机的基本步距角为β;
步进电机在小车直线行驶需要走的步数为steps1[k],其中k=0,1,2…(n-1);
步进电机在小车转弯时需要走的步数为steps2[k],其中k=0,1,2…(n-2);
相邻两路径构成的夹角度数为数组θ1[a];
小车实际转向的角度为数组θ2[a];
加入补偿后小车在每一点需要转弯的角度为数组θ3[a];
步骤二、根据小车数学模型化,列出小车所走的直行距离为数组len1[j]的表达式如下:
步骤三、得到小车所要直线行使的距离后,转化为步进电机在小车直线行驶时所要走的步数steps1[k]:
steps1[k]=len1[j]×360÷β÷∏÷D;
步骤四、根据路线坐标化,计算θ1[a]:
1)当x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
2)当x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
3)当(x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]<0),则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
4)(x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i])<0),则:
θ1[a]=360+180*arctan((y[i+1]-y[i]))/(x[i+1]-x[i]))/Π;
步骤五、根据路径判断,最终得出理论转向角θ2[a]的公式为:
若θ1[a+1]>θ1[a]),则θ2[a]=360-abs(θ1[a+1]-θ1[a]),否则θ2[a]=abs(θ1[a+1]-θ1[a]);
步骤六、为使小车行使更加精确,通过给θ2[a]加入补偿,得到θ3[a],通过角度和距离的关系有:len2[j]=θ3[a]×2×Π×d÷360;
步骤七、根据小车转弯时所走的距离,得到步进电机在小车转弯时需要走的步数steps2[k]的表达式:steps2[k]=len2[j]×360÷β÷Π÷D。
本发明提供的一种单动力转向无碳小车及其行驶计算方法,具有以下有益效果:
1、采用单侧车轮设置棘轮和棘爪,当车轮反向转动时,利用棘爪和棘轮的配合,卡住一侧的车轮使其不能转动,从而实现只能单侧转轮转动,实现来小车转向的效果。
2、该小车的动力机构简单,能够实现直线行驶以及转向,操作简单。
3、通过设置的行驶计算方法,根据转向点坐标设定来推导小车路线的方法,根据提供的坐标来推导出小车直行的距离和转弯的角度,从而攻克了传统的技术难题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的另一角度的结构示意图;
图3为图2中A处的放大图;
图4为棘爪的安装示意图;
图5为小车转向示意图;
图中:底板1,第一车轮2,第二车轮3,轴承支座4,转轴5,棘轮6,棘爪架7,棘爪轴8,棘爪9,支撑牛眼轮10,步进电机11,主动齿轮12,从动齿轮13,电机支架14,连接法兰15,车轮孔101。
具体实施方式
结合图1~图5对本发明具体实施方式进一步详细说明。
一种单动力转向无碳小车,包括底板1,所述底板1前端的两侧分别设有第一车轮2和第二车轮3,底板1后端底部设有支撑牛眼轮10。底板1上侧设有轴承支座4,转轴5通过轴承转动在轴承支座4上,第一车轮2和第二车轮3安装在转轴5的两端,转轴5通过驱动机构驱动。
在本实施例中,所述驱动机构包括步进电机11,步进电机11通过设置在底板2底部的51单片机控制步进电机的正反转。步进电机11的输出轴设有主动齿轮12,转轴5上设有与主动齿轮12啮合的从动齿轮13,所述底板1上侧设有对步进电机11进行支撑的电机支架14,电机支架14竖向设置。
第一车轮2的一侧设有棘轮6,底板1上侧设有棘爪架7,棘爪架7上设有棘爪轴8,棘爪9转动安装在棘爪轴8上,棘爪9搭设在棘轮6外侧与棘轮6配合,当小车做直线运动时,第一车轮2和第二车轮3正向转动,此时,棘爪9在棘轮6的齿背上滑动,当小车要改变方向时,步进电机11反转,此时棘爪9插入棘轮6的齿槽中,限制第一车轮2的转动,导致其静止不动,而第二车轮3依然可以反向转动,从而得以单向转弯,此处以向右转弯为例,如图5所示。
优选的,如图4所示,所述棘爪架7靠近棘爪9的一侧顶部设有限位凸起701,限位凸起701设置在棘爪9下方,当步进电机11反转时,限位凸起701能够进一步限制棘爪9向下转动,使其能够限制棘轮6的反向转动。
优选的,所述转轴5两端设有连接法兰15,第一车轮2、第二车轮3和棘轮6通过螺栓与对应的连接法兰15连接,通过连接法兰15实现第一车轮2、第二车轮3和棘轮6与转轴5的连接。
在具体使用时,所示底板1上设有供第一车轮2和第二车轮3穿过的车轮孔101。通过车轮孔101使第一车轮2和第二车轮3设置在底板1的覆盖区域,方便棘爪9的安装。
在具体使用时,底板1上侧设有太阳能板,太阳能板与蓄电池电性连接,蓄电池对步进电机11进行供电。通过光源照射太阳能板使能量转化为电能,进而储存到与太阳能板相连的蓄电池中,蓄电池将电能释放,驱动小车运动。
一种单动力转向无碳小车的行驶计算方法,采用该方法计算步进电机行驶所需步数,根据路线要求,达到预期路径的运行,包括如下步骤:
步骤一、将小车数学模型化:
令小车的第一车轮和第二车轮的两轮间距为d;
第一车轮和第二车轮的直径为D;
目标坐标总点数为n,其中n>=2;
转折点总数为m,其中m=n-2;
目标坐标点设为(x[i],y[i]),其中i=0,1,2…n;
目标坐标点中,(x[i],y[i])(i=1,2,3…(n-1))为转折点;
小车所走的直行距离为数组len1[j],其中j=0,1,2…(n-1);
小车转弯时所走的距离为数组len2[j],其中j=0,1,2…(n-1);
步进电机的基本步距角为β;
步进电机在小车直线行驶需要走的步数为steps1[k],其中k=0,1,2…(n-1);
步进电机在小车转弯时需要走的步数为steps2[k],其中k=0,1,2…(n-2);
相邻两路径构成的夹角度数为数组θ1[a];
小车实际转向的角度为数组θ2[a];
加入补偿后小车在每一点需要转弯的角度为数组θ3[a]。
步骤二、根据小车数学模型化,列出小车所走的直行距离为数组len1[j]的表达式如下:
步骤三、得到小车所要直线行使的距离后,转化为步进电机在小车直线行驶时所要走的步数steps1[k]:
steps1[k]=len1[j]×360÷β÷∏÷D。
步骤四、根据路线坐标化,计算θ1[a]:
1)当x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
2)当x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
3)当(x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]<0),则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
4)(x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i])<0),则:
θ1[a]=360+180*arctan((y[i+1]-y[i]))/(x[i+1]-x[i]))/Π。
步骤五、根据路径判断,最终得出理论转向角θ2[a]的公式为:
若θ1[a+1]>θ1[a]),则θ2[a]=360-abs(θ1[a+1]-θ1[a]),否则θ2[a]=abs(θ1[a+1]-θ1[a]);
步骤六、为使小车行使更加精确,通过给θ2[a]加入补偿,得到θ3[a],通过角度和距离的关系有:len2[j]=θ3[a]×2×Π×d÷360;
步骤七、根据小车转弯时所走的距离,得到步进电机在小车转弯时需要走的步数steps2[k]的表达式:steps2[k]=len2[j]×360÷β÷Π÷D。
先通过具体实施例对计算过程说明如下:
假设小车的参数如下:
小车的第一车轮和第二车轮的两轮间距为d=148.2mm;
第一车轮和第二车轮的直径为D=126mm;
步进电机的基本步距角为β=0.703125度/步;
假设给定路径点数为n=10,各目标坐标点如下:
序号 坐标X(mm) 坐标Y(mm)
01 7450 950
02 5950 500
03 3900 1100
04 2900 2000
05 500 1050
06 800 3400
07 500 3650
08 1200 5250
09 2300 7000
10 4250 7500
则转折点个数为m=8,转折点序号为02-09;
小车所走的直行距离为数组len1[9];
小车转弯时所走的距离为数组len2[8];
步进电机在小车直线行驶需要走的步数为steps1[9];
步进电机在小车转弯时需要走的步数为steps2[8];
相邻两路径构成的夹角度数为数组θ1[8];
小车实际转向的角度为数组θ2[8];
加入补偿后小车在每一点需要转弯的角度为数组θ3[8]。
根据len1[j]计算公式:
求得数组len1[9]={1566.05,2136.00,1345.36,2581.18,2369.07,390.51,1746.42,2067.00,2013.08};
根据steps1[k]计算公式:
steps1[k]=len1[j]×360÷β÷∏÷D
求得steps1[9]={2025.60,2762.81,1740.16,3338.63,3064.27,505.11,2258.91,2673.56,2603.82};
根据θ1[a]计算公式:
1)当x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
2)当x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
3)当(x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]<0),则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
4)(x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i])<0),则:
θ1[a]=360+180*arctan((y[i+1]-y[i]))/(x[i+1]-x[i]))/Π;
以及θ2[a]计算公式:
若θ1[a+1]>θ1[a]),则θ2[a]=360-abs(θ1[a+1]-θ1[a]),否则θ2[a]=abs(θ1[a+1]-θ1[a]);
求得θ2[8]={33,25,297,118,303,73,8,43};
根据实际情况加入补偿后:
θ3[a]={35.5,29,305,119.5,304.5,77,12,47}
根据len2[j]计算公式:
len2[j]=θ3[a]×2×Π×d÷360;
求得len2[j]={91.82,75.01,788.90,309.09,787.61,199.16,31.03,121.56};
根据steps2[k]计算公式:
steps2[k]=len2[j]×360÷β÷Π÷D;
求得steps2[k]={118.76,97.02,1019.35,399.79,1018.73,257.60,40.13,157.23}。
上述计算结果中,steps1[9],steps2[8]即为步进电机在直线行驶与转弯时所需要的步数。

Claims (7)

1.一种单动力转向无碳小车,包括底板,其特征在于,所述底板前端的两侧分别设有第一车轮和第二车轮,底板上侧设有轴承支座,转轴通过轴承转动在轴承支座上,第一车轮和第二车轮安装在转轴的两端,转轴通过驱动机构驱动,第一车轮的一侧设有棘轮,底板上侧设有棘爪架,棘爪架上设有棘爪轴,棘爪转动安装在棘爪轴上,棘爪搭设在棘轮外侧与棘轮配合,底板后端底部设有支撑牛眼轮。
2.根据权利要求1所述的一种单动力转向无碳小车,其特征在于,所述驱动机构包括步进电机,步进电机的输出轴设有主动齿轮,转轴上设有与主动齿轮啮合的从动齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种单动力转向无碳小车,其特征在于,所述底板上侧设有对步进电机进行支撑的电机支架。
4.根据权利要求1所述的一种单动力转向无碳小车,其特征在于,所述棘爪架靠近棘爪的一侧顶部设有限位凸起,限位凸起设置在棘爪下方。
5.根据权利要求1所述的一种单动力转向无碳小车,其特征在于,所述转轴两端设有连接法兰,第一车轮、第二车轮和棘轮通过螺栓与对应的连接法兰连接。
6.根据权利要求1所述的一种单动力转向无碳小车,其特征在于,所示底板上设有供第一车轮和第二车轮穿过的车轮孔。
7.一种单动力转向无碳小车的行驶计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、将小车数学模型化:
令小车的第一车轮和第二车轮的两轮间距为d;
第一车轮和第二车轮的直径为D;
目标坐标总点数为n,其中n>=2;
转折点总数为m,其中m=n-2;
目标坐标点设为(x[i],y[i]),其中i=0,1,2…n;
目标坐标点中,(x[i],y[i])(i=1,2,3…(n-1))为转折点;
小车所走的直行距离为数组len1[j],其中j=0,1,2…(n-1);
小车转弯时所走的距离为数组len2[j],其中j=0,1,2…(n-1);
步进电机的基本步距角为β;
步进电机在小车直线行驶需要走的步数为steps1[k],其中k=0,1,2…(n-1);
步进电机在小车转弯时需要走的步数为steps2[k],其中k=0,1,2…(n-2);
相邻两路径构成的夹角度数为数组θ1[a];
小车实际转向的角度为数组θ2[a];
加入补偿后小车在每一点需要转弯的角度为数组θ3[a];
步骤二、根据小车数学模型化,列出小车所走的直行距离为数组len1[j]的表达式如下:
步骤三、得到小车所要直线行使的距离后,转化为步进电机在小车直线行驶时所要走的步数steps1[k]:
steps1[k]=len1[j]×360÷β÷∏÷D;
步骤四、根据路线坐标化,计算θ1[a]:
1)当x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
2)当x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]>=0,则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
3)当(x[i+1]-x[i]<0且y[i+1]-y[i]<0),则:
θ1[a]=180+180*arctan((y[i+1]-y[i])/(x[i+1]-x[i]))/Π;
4)(x[i+1]-x[i]>=0且y[i+1]-y[i])<0),则:
θ1[a]=360+180*arctan((y[i+1]-y[i]))/(x[i+1]-x[i]))/Π;
步骤五、根据路径判断,最终得出理论转向角θ2[a]的公式为:
若θ1[a+1]>θ1[a]),则θ2[a]=360-abs(θ1[a+1]-θ1[a]),否则θ2[a]=abs(θ1[a+1]-θ1[a]);
步骤六、为使小车行使更加精确,通过给θ2[a]加入补偿,得到θ3[a],通过角度和距离的关系有:len2[j]=θ3[a]×2×Π×d÷360;
步骤七、根据小车转弯时所走的距离,得到步进电机在小车转弯时需要走的步数steps2[k]的表达式:steps2[k]=len2[j]×360÷β÷Π÷D。
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