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化工科技论文
基于万向折腰的山地越障小车
发布时间:2018-01-17??浏览次数: 3487
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摘要

为了山地越野车能够更加适应崎岖不平的山地路况,专门设计制作了一款基于万向折腰的越障概念小车。运用soildworks软件进行整体建模并采用成本低、成型快的3D打印技术完成制作。分析在不同路况下小车的各部分姿态,通过基于单片机程序编程,实现机械结构与电子控制结合的完美统一。

关键词 越野小车 万向折腰 山地越障

引言 为了探索人类的极限能力,各种形式的极限运动也愈演愈烈。其中,山地越野比赛赢得了无数爱车年轻人的青睐。目前山地越野车大都是通过改变车体的驱动系统和减震系统来提高越野性能。该款车的创新之处在于通过改变车体前驱结构和中间连接的万向折腰结构的相互配合实现对不同山地路况越障功能。3D打印技术具有成本低、操作方便等优点,被广泛应用于机械制造业、航空制造业、医学等多种领域。该车整体机身采用3d打印技术,使车体在保证结构强度的情况下减轻自身重量,减轻舵机对连接部件的作用力,增强越障能力。通过小车前面两个可调节角度的车轮,并且通过中间的可控万向节增加车轮与地面的接触面积,大大提高了小车的越野性性能。

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小车整体机身

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1.前驱可调部分

当小车在行驶过程中,前轮首先碰到障碍物。对于普通越野车来说,当障碍物过高或者坡度过大,都会阻挡车前行。该款车通过改变前轮与地面的角度,能够通过难度更大的障碍物。当通过凸形障碍物时,利用舵机带动我们前轮的连接轴,使前轮向上抬起,使水平地面与车轮形成一定的角度a,这样就会减小与凸形障碍物的角度,从而使车越过障碍。在通过凹形路面时,原理相同。其中,为了减小舵机的作用力,我们采用杠杆原理,以车身基本骨架为支撑点,车轮连接轴端点为作用点,改变舵机角度,带动连接轴,实现角度a的改变。防止车轮在改变角度过程中出现卡死现象,我们控制车轮与水平面角度a-30——+30度之间,从而大大提高了小车的稳定性和安全性

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2.万向折腰结构

该车采用的万向折腰结构是基于六自由度平台模型的精简版。所谓六自由度平台就是通过改变六根由步进电机控制的丝杠的长度,实现上表面的旋转,弯曲等六个基本的方向控制。该模型由于他的可控性和自由度的灵活性,被越来越多的应用在航空业,机器人制造业等领域。在我们的小车上,需要靠这种六自由度平台来实现小车在翻越障碍的时候能过利用万向折腰的结构成功通过。万向折腰结构一是为了能够使前轮和后轮能够增加抓地能力,从而增加摩擦,翻越障碍,另一个目的是为了能够使前轮在垂直方向改变角度的同时,实现轴向的旋转。当前轮处于正角度a的同时,为了不让车轮悬空,需要将万向折腰结构改变上平面角度,目的是给车轮补偿一定的角度,使得车轮能够紧紧的贴在障碍物表面,当电机驱动时,反向摩擦力推动小车翻越障碍物。我们在实际测试中发现,我们只需要三个舵机来控制平面同样能实现相同的功能。为了保证万向折腰的可控性,在上平面与下平面直接安装了一个球轴承的万向节联轴器,这样就可以消除舵机带动丝杠运动时平面在横向方向的受力。这样既简化了模型,提高了可靠性;又减少舵机数量,降低操作难度。万向折腰结构功能的实现,既能更大幅度的增加越障能力,又能使前驱与后驱配合的更加准确。

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3.小车的动力驱动装置

小车采用后轮驱动和后轮转弯结构。我们改变了以往的前轮转弯结构,采用后轮转弯,这样会使前轮功能分散,同时使结构设计变得简单可靠,使前轮越障功能最大化。驱动装置采用高速马达通过差速器带动后轮车轴转动,驱动小车前行后驱与前驱相比后驱能够提供更高的推力

单片机控制程序

小车的机械结构全部有单片机来控制完成。该车装有六个舵机和一个马达共七个电子元件。由于舵机过多单独操控舵机过于复杂因此我们将前驱与万向折腰结构舵机分别关联这样就缩短了操控时间减少越障时间我们通过大量的实验和计算,将所有小车所遇到障碍时应该表现出来的姿态进行采集分析,将所有的可能性都编入我们的单片机程序里面,当小车遇到障碍时,将手机app软件替代遥控装置直接利用wifi热点与单片机程序连接通过改变小车姿态然后从已有的方案里寻找解决问题的最佳方案,然后通过电机带动机械结构改变小车姿态,最终实现小车的越障功能。

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总结?

?3d打印技术是一种方便、廉价、快捷的生产方式。通过soildworks建模并且通过3d打印技术实际操控,证明了我们这款概念型越野车的使用前景。我们通过对车本身进行结构创新和改造,其中前驱将固定的车轮设计成可以在垂直方向上改变角度,中间连接部分是根据六自由度平台在不改变自由度的情况下进行缩减,作为小车的万向折腰连接整个小车结构。最终通过对单片机编程,寻找舵机之间最佳联动情况,实现在手机通过wifi连接控制小车,方便简单。电子控制带动机械结构运作,机械结构支撑电子系统,凸显了机电结合的重要性。

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参考文献?

1袁仁进 陈刚 王冰冰 《地形坡度对越野机动时间影响分析》

2潘光旭 贾光政 边颖聪 刘旭《步进电机驱动六自由度并联运动平台设计》

3董旭 《履带式越障车底盘的动态特性分析及运动学仿真》

4何峰《六轮腿移动机器人运动分析及控制系统的研究》


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