一种根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法技术

本发明专利技术适用于无碳小车领域，提供了一种根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法，主要包括如下步骤：根据小车物理尺寸和限制条件，确定一系列节点，设计一条曲线；将设计的曲线离散化，根据转向原理计算出转向轮在运动过程中摆角大小；基于凸轮整个转动周期中转向轮摆角大小，由传动关系计算得出凸轮廓线。本发明专利技术提供了一种适合使用计算机简化计算的，迭代速度快的，通用性强的根据限制条件设计小车凸轮的方法。使用本发明专利技术提出的方法，极大地缩短了设计小车凸轮需要的时间；本方法的计算流程严谨，很容易在计算机上使用软件进行自动计算，大大加快了迭代速度，可以节省大量时间；适用性强，针对不同物理结构的小车，仅需要更改相关公式，即可使用本方法。即可使用本方法。即可使用本方法。

【技术实现步骤摘要】
一种根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法


[0001]本专利技术适用于无碳小车领域，提供了一种根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法。

技术介绍

[0002]无碳小车是一种纯粹以砝码的重力势能作为全部能量来源的竞赛类机械，其要求是：设计完全由重力势能驱动的具有方向控制功能的自运行小车，小车需要在规定的场地内根据规则避开障碍物。随着规则的发展，目前无碳小车的赛道规则越来越灵活，小车的轨迹越来越复杂。所以目前大部分的竞赛类无碳小车都选择使用凸轮来控制小车的转向机构，以实现小车的一系列复杂轨迹。但是现在很多小车的凸轮设计，主要依靠人工拼凑简单函数，这种方法流程较为复杂，通用性不强，不容易使用计算机简化计算，迭代效率低下，且无法保证两段函数的光滑过渡。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种适合使用计算机简化计算的，迭代速度快的，通用性强的根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法。本专利技术包括如下技术方案：
[0004]S1、根据小车物理尺寸和限制条件，确定一系列节点，设计一条曲线；
[0005]S2、将设计的曲线离散化，由转向原理计算出转向轮在运动过程中摆角大小；
[0006]S3、基于凸轮整个转动周期中转向轮摆角大小，根据传动关系计算得出凸轮廓线。
[0007]进一步地，所述步骤S1中的小车由传动机构，转向机构，车架，转向轮，主动轮和从动轮构成。所述的传动机构，其特征在于：所述传动机构受砝码驱动，带动输出轴转动，将砝码的重力势能转化为小车的动能。所述的转向机构，其特征在于：所述转向机构由输入轴、凸轮、推杆组件、摆杆和输出轴构成。
[0008]进一步地，所述输入轴受砝码驱动；所述凸轮固定在所述输入轴的轴端，跟随所述输入轴转动；所述推杆组件的一端为平面推杆，与所述摆杆相接触，另一端为球形顶针与所述凸轮的廓线表面接触，所述推杆组件由所述凸轮推动，跟随廓线表面做直线往复运动；所述输出轴的一端与所述转向轮连接，另一端固定所述摆杆，其中部固定有扭簧，使所述输出轴可以自动回正；所述摆杆与所述平面推杆相接触，由所述平面推杆的直线运动驱动所述摆杆转动。
[0009]进一步地，所述的小车，其特征在于：所述主动轮的轴线和所述从动轮的轴线的投影重合；所述转向机构输出轴轴线与所述转向轮轴线存在交点，所述交点与所述主动轮的轴线的距离为L。
[0010]进一步地，所述步骤S1中一系列节点的确定方法包括：
[0011]首先，根据限制条件确定场地的大小以及障碍物的位置，得到所述小车的允许活动区域；
[0012]根据所述小车的物理尺寸得到所述小车的平面投影，取所述小车主动轮和地面接
触点作为车体坐标系的原点；
[0013]根据限制条件确定轨迹的周期数，具体优化要求是实现单周期中小车行驶距离尽量小；将平面投影放置在所述无碳小车必须经过的重要位置，确定此处所述小车的位置姿态，且保证平面投影没有超出小车的单周期允许活动区域，每个平面投影中小车的车体坐标系原点的对应位置就是所述一系列节点。
[0014]进一步地，所述步骤S1中设计一条曲线的方法包括：
[0015]首先，将一系列节点在比赛场地中的位置使用平面坐标表示出来，得到一组二维的点集a0(x0，y0)，a1(x1，y1)
……
a
n
(x
n
，y
n
)；
[0016]确定a0和a
n
两点的边界条件，使用使用三次样条、B样条或其他方法构建一条穿过所述点集且满足边界条件的单周期分段函数：
[0017][0018]对得到的单周期分段函数求取二次导数，观察得到的单周期分段函数的二次导数是否存在明显突变，若存在，可以调整平面投影放置位置，得到一组新的点集重新计算单周期分段函数，所述单周期分段函数即为曲线的表达式。
[0019]进一步地，所述步骤S2中曲线离散化的方法包括：
[0020]首先，计算单周期分段函数，以及单周期分段函数的总长S；每段插入l个点，得到这些点的横坐标为：
[0021][0022][0023][0024][0025]通过代入公式(1)求解可以得到这些插值点的函数值，得到l
·
n个插值点的坐标；将所有点重排得到一组新的点集b0(α0，β0)，b1(α1，β1)
……
b
m
(α
m
，β
m
)，并且计算每两点之间的长度s1，s2……
s
m
。
[0026]进一步地，所述步骤S2中摆角大小的计算方法包括：
[0027]第一，根据公式(2)，计算每一点处的曲率半径ρ0，ρ1……
ρ
m
：
[0028][0029]第二，根据转向原理可以知道，当小车转向轮偏转时，偏转轮轴线延长线与主动轮轴线延长线存在交点，所述交点和所述车体坐标系原点之间的距离为此处曲线的曲率半径，根据公式(3)可以计算得到每一点处的转向轮偏转角度φ
i
：
[0030][0031]进一步地，所述步骤S3中凸轮廓线的计算方法包括：
[0032]首先，根据小车的物理模型得到该模型的传动关系，建立所述推杆组件的直线位移量t和小车转向轮的偏转角度φ之间的关系，根据公式(4)计算每一点处的推杆直线位移量t
i
：
[0033]t＝g(φ)公式(4)；
[0034]然后，以最小的所述推杆直线位移量为基准，根据公式(5)计算相对位移量Δt
i
：
[0035]Δt
i
＝t
i
‑
min[t1，t2…
t
m
]公式(5)；
[0036]根据单周期分段函数的每一段长度，由公式(6)计算得到每个相对位移量在凸轮上所占的角度
[0037][0038]然后，确定所述凸轮的基圆半径R，以所述凸轮的基圆圆心为坐标原点构建一个极坐标系，以为极坐标系夹角增量，以R+Δt
i
为长度，得到一组极坐标系下的点集；将点集依次使用三次样条曲线连接形成所述凸轮廓线。
[0039]与现有技术相比，本专利技术有益的技术效果在于：
[0040]提供了一种适合使用计算机简化计算的，迭代速度快的，通用性强的根据限制条件设计小车凸轮的方法，极大地缩短了设计小车凸轮需要的时间；本方法的计算流程严谨，很容易在计算机上使用软件进行自动计算，大大加快了迭代速度，可以节省大量时间；适用性强，针对不同物理结构的小车，仅需要更改相关公式，即可使用本方法。
附图说明
[0041]图1为本专利技术的所述小车结构示意图；
[0042]图2为本专利技术的所述小车平面投影示意图；
[0043]图3为本专利技术根据限制条件设计的曲线；
[0044]其中：1为凸轮；2为主动轮；3为推杆组件；4为转向机构输出轴；5为摆杆；6为转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
(α0，β0)，b1(α1，β1)...b
m
(α
m
，β
m
)，并且计算每两点之间的曲线长度s1，s2......s
m
。6.根据权利要求2所述的传动机构，其特征在于：所述传动机构受砝码驱动，带动输出轴转动，将砝码的重力势能转化为所述小车的动能。7.根据权利要求2所述的转向机构，其特征在于：所述转向机构由输入轴、凸轮、推杆组件、摆杆和输出轴构成；所述输入轴受砝码驱动；所述凸轮固定在所述输入轴的轴端，跟随所述输入轴转动；所述推杆组件的一端为平面推杆，与所述摆杆相接触，另一端为球形顶针与所述凸轮的廓线表面接触，所述推杆组件由所述凸轮推动，跟随廓线表面做直线往复运动；所述输出轴的一端与所述转向轮连接，另一端固定所述摆杆，其中部固定有扭簧，使所述输出轴可以自动回正；所述摆杆与所述平面推杆相接触，由所述平面推杆的直线运动驱动所述摆杆转动。8.根据权利要求2所述小车，其特征在于：所述主动轮的轴线和所述从动轮的轴线的投影重合；所述转向机构输出轴轴线与所述转向轮轴线存在交点，所述交点与所述主动轮的轴线的距离为L。9.根据权利要求1所述的根据限制条件设计纯机械小车凸轮的方法，其特征在于，所述步骤S2中摆角大小的计算方法包括：第一，根据公式(2)，计算每一点处的曲率半径ρ0，ρ1......ρ
m
：第二，根据转向原理可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金刚，陈保林，傅兵，王飞鸿，卜磊，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：