基于小车自身的重心改变保证过弯稳定性的研究

邱泽香 饶佳琪

摘要：保证小车快速过弯稳定的重心改变装置是基于单片机的控制，针对小车过弯的速度不同，过弯的大小等因素进行不同程度的调整，使小车的重心向某一侧偏移，达到过弯不减速的目的。例如可在小车内部两边分别加上两个齿轮，利用发动机带动齿轮转动从而来调节小车两边的不同高度，改变小车重心，为小车提供过弯的向心力，以此来达到为小车提供过弯的足够向心力。整个系统有和上述装置功能相同的多套装置，各个装置之间互相协调配合，从而实现小车即使在急弯或者大弯的时候也可以不用降低速度来过弯。其目的是针对于现实生活中不仅是赛车比赛不用在过弯时降低速度，还可以利用这种装置，就可以为车子转弯提供更大的向心力，以此来保证车子就算不能够在过弯时及时减速也能够减少事故的发生。

0 引言

现有的转弯装置大多是通过车轮的减速和转向使车子顺利过弯，但是这种过弯方式往往会使车子减小到预定的速度，而且在快速时可能会加大对轮胎的损耗。本研究项目所提供的过弯装置，其优势在于：轻巧性不会为车子带来太大的负载；而且这种装置是利用车子本省的重力来为车子过弯提供向心力，所以不管是道路平整的柏油马路还是坑洼不平的农村土路，这种装置都可以很好的运用到每一个行驶在不同环境道路的不同车子身上。

1 方法原理

1.1初步方案构想

由于必须要保证小车最大速度不受影响，故不可在小车车身上施加重物，只能通过改变小车的内部结构或外观物理结构改变其重心，针对上述问题，提出了以下三种解决方案。

1、通过降低一侧车身高度

底层板四个角均固定有小型直流电机，电机与长螺杆相连，螺杆旋进固定在上层板的长螺帽（可完全旋转进入）中，上层板上搭载有电源等其他模块。在遇到转弯的情况的时候，单片机会控制底层板上的电机向某一方向旋转，由于电机和螺帽均是被固定的，因此长螺杆会越来越多的部分进入到长螺帽中去，此时靠近弯道一侧的上层板会较低，即起到了降低重心保持稳定的作用。完成过弯后，进行反向旋转直至复原。这里要阐明的是，长螺帽和长层板的固定是可活动的，可以承受一定角度，另一侧板子低于本侧。这种方法的不足之处在于，由于上层的重量是有限的，而且弯道侧和背弯道侧的板子之间的高度差不可过大，不适于过大的速度过弯。

2、通过改变内部结构

将电源封装在一长方体容器内，容器大小选择以恰好能放下电源为宜。在容器的一对面上固定好直流电机，即将电池和一对电机固定在一起。再将一长齿条固定在上层板上，齿条长度与上层板长度一致。在遇到转弯情况的时候，单片机会控制一对电机向同一个方向旋转，即弯道内侧。由于齿条被固定不动，电机的转动就会直接地带动整个电池模块，向弯道侧转动，使小车的重心内移，从而增加过弯稳定性。完成过弯后，进行反向旋转直至复原。这种方法的不足之处在于，在小车遇到连续弯道的时候，电源长方体容器需要在车内来回移动，有可能影响稳定性。

3、通过直接降低车轮

将一根长齿条的末端与对应的轮胎电机的轴（靠近轮胎侧）相连，轮胎电机的另一端则细金属线和塑料扣的方式固定在下层板，之所以另一侧（远离轮胎侧）采用悬挂电机的方式，是因为要保持轮胎侧的轴进行一定幅度的上下波动。固定在上层板的电机可选用力矩较大的步进电机，将电机固定于上层板。在遇到转弯的情况时，步进电机旋转，带动齿条旋转，将靠近弯道一侧的长齿条拉上一段距离，此时，靠近弯道一侧的底盤距离地面较近，重心很大程度的向内侧偏移，大大降低了小车向外侧漂出的可能性。若采用此种方法，对步进电机需谨慎选择。

1.2项目实际方案

通过双层模式结构改变重心位置

此种方案为综合考虑最优，可实施性最高的方案，在此方案中。将小车所需的各个重要零部件都加装在小车的底层（第一层），另外在小车的上方再加装一层活动层用于改变小车的整体重心。将两台步进电机固定在小车的底层，在固定电机的转子上加装能够通过步进电机带动的齿轮，同时在齿轮处安放可活动的齿轮，小车的第二层通过铜柱焊接在活动齿轮山。通过单片机控制两个步进电机的不同转向就可以通过齿条带动第二层进行同一方向的一个平移，这样就起到了改变小车整体重心的效果。此方案需要选取精准度高且力矩较大的步进电机，同时在控制的过程中必须保证时间和运动的准确性，才能通过此方案来改变小车的重心来增加过弯的稳定性。

2 小车自身重心改变装置整体方案

2.1研究用四轮二驱地盘小车功能说明

1）驱动功能：小车底盘后轮装载有2个强磁抗干扰碳刷TT马达，可以为整个小车移动平台提供一个恒定的驱动力。

2）转向功能：本文小车搭载平台通过一个MG995舵机将两个前轮安装在小车主板的前身，STC89C52RC单片机作为主控芯片通过对舵机的控制进而控制前轮的转向，达到小车转向的功能。

3）红外寻迹功能：单片机通过路径识别模块对路径信息进行采集。以实现小车寻迹的功能。系统选用RPR220型红外反射式光电传感器实现路径识别功能。RPR220是一种一体化反射型光电探测器。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。

4）超声避障功能：系统采用一个RBURF02定向式超声测距传感器将其安装在小车车头的前，可实时测得小车前方与障碍物之间的距离，从而实现避障。RB URF02具有较好的性能，其探测有效距离：lcm～500cm，探测分辨率0.5cm，探测误差：±0.5%，灵敏度：大于1.8m外可以探测到直径2cm物体，方向性侦测范围：定向式（水平/垂直）65度圆锥。

2.2整体方案设计

1）本文控制系统的核心处理器选用国产STC89C52RC微处理器，此种微处理器具有操作简单，价格便宜等优势，此种微处理器能够满足本文所研究的内容。其最小系统如下图1所示。

2）本文小车主要设计系统如下图1所示：

3）由图1，整个车身控制系统以STC89C52RC作为控制微处理器，在平整且不需要转弯的路面上行驶时，小车通过红外寻迹模块将路面信息传输至微处理器，微处理器发送相关控制信号指令至驱动器，驱动器带动左右驱动电机以此带动左右驱动轮的旋转，使小车向前行驶。当遇到转弯路面或其他需要避开的障碍物的路面时，通过超声波传感器将信号发送中微处理器，微处理器通过控制带动前后的齿条改变小车第二层的重心，一次来达到改变整个小车的重心位置，保证小车的过弯稳定性。

参考文献

[1]基于红外光电传感器的智能寻迹小车设计[期刊论文全文]胡媛媛，邓世建，王书婧，HU Yuan-yuan，DENG Shi-jian，WANG Shu-jing -《电子设计工程》-2011年7期

[2]基于多超声波传感器避障机器人小车的设计[期刊论文全文] 蔡卓凡，CAI Zhuo-fan-《自动化技术与应用》-2014年5期