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一种无碳小车越障设计说明书
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1.设计主题
1．1设计命题
设计一种以重力势能驱动的具有方向控制功能的自运行小车——“无碳小车
越障设计”。驱动小车行走及转向的能量是根据能量守恒定律，有给定重力势能
转换而来的。给定重力势能为4焦，设计是统一使用质量为1kg的重块铅垂下降
来获得，落差为400±2mm，重块落下后，须被小车承载并与小车一起运动，不
允许从小车上掉落。
要求小车行走过程中完成所有动作所需的能量均由重力势能转换获得，不可
使用任何其他能源。
要求小车具有转向控制机构，且有可调功能，以适应不同间距障碍物的设计
场地。
要求小车为三轮结构。
1.2设计项目
1）设计小车在前行时能够自动交错绕过赛道上设置的障碍物，障碍物为直
径20mm、高200mm的多个圆棒，沿直线等距摆放，间距100±10cm可调，以小
车前行的距离和成功绕障的数量来综合评定成绩。
2）小车在半张标准乒乓台上（长1525mm、宽1370mm），绕相距一定距离（40
±10mm可调）的两个障碍物沿8字形轨迹绕行，绕行时不可撞到障碍物，不可
以掉下球台障碍为直径20mm、长200mm的圆棒，放置在乒乓球台的中线上，以
小车完成8字绕行圈数多少来综合评定成绩。
3）小车在半张乒乓球台上，绕相距一定距离（40±10可调）的5个沿正五
边形放置的障碍，绕行是不能撞到障碍物，不可以掉下球台，以小车完成梅花形
绕行圈数的多少来综合评定成绩。
1.3运动轨迹分析
1）根据题目1，小车重心行走轨迹如下图所示。
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图一
考虑到项目1小车行走环境为地面，且前行路线相对简单，故预取小车宽度
为160mm，采用直径为120mm的后车轮，以保持小车的稳定性。整个小车地盘大
致为正三角形，以保证重心在小车中线上。根据图一所示，可知小车做周期运动，
一个周期内轨迹如下图所示。
图二
凸轮通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动，
而且结构简单、紧凑、设计方便。所以在此处采用凸轮机构作为小车的转向机构。
为减小凸轮的刚性冲击，且保证小车能可靠的实现绕桩运动，考虑到小车的尺寸，
小车在绕桩时重心离障碍连线最远预留200mm，也就是说整条轨迹为峰值是
200mm，周期为2000mm的余弦函数。小车扫过区域如下图所示。
图三
2）根据项目2，其小车重心运行轨迹预设如下图所示
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图四
考虑到项目2中障碍物距离较1中大大减小，且运动环境改为较为光滑平整
的乒乓球台，小车后轮的间距以及直径都减小，以期得到更加灵活的性能。预设
小车后轮间距120mm，直径80mm。小车底盘大致为等腰体型，以保证重心在中线
上，保持左右平衡。根据图四所示，小车的轨迹应为一个周期图形，考虑到减小
刚性冲击，需要将绕桩圆弧改为椭圆或者抛物线形状，过原点段曲线为振幅
200mm、周期80mm的余弦函数的一部分。暂定小车轨迹如下图所示。最远点距离
障碍240mm。
图五
因为预设轨迹较为复杂，故采用凸轮为转向机构，小车经过区域如下图
所示。
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