重力势能驱动的自控行走小车设计
摘要：随着时代的进步，世界各国工业蓬勃发展，但是由于不可再生能源的过度使用和环境的持续恶化，探索新能源技术已经成为各个国家和地区的首要任务，所以为了响应国家节能减排的号召，建设一个可持续发展的节约型社会，本设计要完成一种以重力势能为动力源的自控行走小车，设计完成的自控行走小车能够通过自身结构和控制系统将重力势能转换为机械动能，作为自控行走小车运行的动力来源，驱动小车前行。而自控行走小车本身应结构简单，具有良好的精确度和稳定性，能够准确地避开道路上的障碍物。这种自控行走小车以重力势能作为动力源，符合国家无碳环保的理念，不会造成环境污染。本设计主要参考了国内外科技工作者在该方面的研究文献，文献来源主要是网络、书籍和专利等。
关键词：重力势能；自控行走；结构；控制系统；环保
随着现代工业的迅速发展，能源的过度使用和环境的持续恶化已经成为各个国家的首要问题，因此发展新能源技术是必然趋势。现如今各类产品不仅要求高质量、高性能，而且要符合可持续发展的趋势。但是，目前市场上大多自控行走小车不能做到无碳环保，容易造成环境污染。所以设计一种以重力势能作为动力源且具有方向控制功能的无碳环保的自控行走小车已成当务之急。该小车要求能够自动避开道路障碍。我们通过对小车的结构和控制系统进行精确分析和计算，从自控行走小车的结构、装配以及控制系统等方面着手完成设计。
1.设计内容、设计目的和设计背景
1.1设计内容
随着科技的进步，各国工业的蓬勃发展，煤和石油等不可再生能源被迅速消耗，长期以来人类还是一直大量开发自然资源，而且在环境中累积废弃物，不仅造成了能源的过度消耗，而且自然环境也因此持续恶化。此一趋势未来恐将面临自然资源耗竭及生态环境恶化之威胁，甚至断送人类的永续发展。所以解决这一问题迫在眉睫。一九七二年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式提出了可持续发展（Sustainable development
）的概念。1980
年国际自然保护同盟的《世界自然资源保护大纲》：“必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，以确保全球的可持续发展。”1981年，美国布朗（Lester R. Brown
）出版《建设一个可持续发展的社会》，提出以控制人口增长、保护资源基础和开发再生能源来实现可持续发展。因此重力势能作为新能源的一种，具有很大的发展前景。重力势能(gravitational potential energy)是指物体由于被举高而具有的能。对于重力势能，其大小由地球和地面上物体的相对位置决定。物体质量越大、位置越高、做功本领越大，物体具有的重力势能就越大。以重力势能作为自控行走小车的动力源不消耗不可再生能源，能够很好的节约资源，保护环境。在此背景下，本设计将完成一种以重力势能作为动力源的自控行走小车，即给定一重力势能，根据能量转换原理，设计了一种可将该重力势能转化为机械能并用来驱动小车行走的装置。该自行小车在前行时能够自动避开道路上设置的障碍物。而小车本身也具有结构简单，具有良好的精确度和稳定性等优点。
1.2设计目的
随着现代工业的迅速发展，能源的过度使用和环境的持续恶化已经成为各个国家的首要问题，因此如今各类产品不仅要求高质量、高性能，而且要符合可持续发展的趋势。发展新能源技术是必然趋势。目前，市场上大多自控行走小车不能做到无碳环保，容易造成环境污染。所以设计一种以重力势能作为动力源且具有方向控制功能的无碳环保的自控行走小车已成当务之急。该小车要求能够自动避开道路障碍。我们通过对小车的结构和控制系统进行精确分析和计算，从小车结构、装配以及控制系统等方面着手完成设计。
2.设计背景、国内外研究现状以及尚存问题
2.1设计背景
“
低碳经济”最早见诸于政府文件是在2003
年的英国能源白皮书《我们能源的未来:
创建低碳经济》。英国充分意识到了能源安全和气候变化的威胁，首先提出这一名词。2006
年，前世界银行首席经济学家尼古拉斯·
斯特恩牵头做出的《斯特恩报告》指出，全球以每年GDP1%
的投入，可以避免将来每年GDP5%—20%的损失，呼吁全球向低碳经济转型。2006年底，中国科技部、中国气象局、国家发改委、国家环保总局等六部委联合发布了我国第一部《气候变化国家评估报告》。
2007年6月，中国正式发布了《中国应对气候变化国家方案》。
2007
年12月3日，联合国气候变化大会在印尼巴厘岛举行。2007年12月26日，国务院新闻办发表《中国的能源状况与政策》白皮书，着重提出能源多元化发展，并将可再生能源发展正式列为国家能源发展战略的重要组成部分。不再提以煤炭为主。
2008
年6月，清华大学在国内率先正式成立低碳经济研究院，重点围绕低碳经济、政策及战略开展系统和深入的研究，为中国及全球经济和社会可持续发展出谋划策。在此背景下，由于不可再生能源的过度开采和使用以及地球自然环境的持续恶化等各方面的原因，对低碳环保自控行走小车的研究已势在必行。通过研究，可以有效的减少碳的排放，减少对环境的污染，节省能源，从而改善地球的自然环境。
2.2国内外研究现状
低碳环保已经成为当代发展的重要问题之一。自控行走小车要求以重力势能转化为机械动能作为动力源。小车能够自动避开道理上所设置的障碍。同时小车本身结构设计要尽量简单，而且要具有良好的稳定性和精确性。国内外的许多科技工作者为此做出了突出贡献。
2015
年5月15日，屈伸、李斯瑞、靳松在《湖南工业大学学报》中发表的文章“
一种重力势能驱动小车的设计与实现”中为我们详细的讲解了自控行走小车的各项机构设计与装配方案，这给我了很大的启发。2016年5月5日，张德慧、刁吉祥、张恒、李红宽在《科技经济导刊》发表的“基于重力势能驱动的无碳小车的创新设计与仿真”一文中提到：对无碳小车进行了创新设计，同时利用重力势能转化成动能对该无碳小车进行运动和方向控制。该小车主要组成包括：传动机构、原动机构、转向机构、行走机构和调节机构等，建立了主要部件的三维模型和总装图。利用 ADAMS 进行了仿真。从这篇报告中我们知道，自控行走小车的主要机构应包括传动机构、原动机构、转向机构、行走机构和调节机构等，让我有了初步的头绪。
2015年5月26日，陈锐发表的“无碳小车S型转向运动的设计方案与改进思路研究”一文中为我们详细解读了自控行走小车的设计要求、初始设计方案和对初始设计方案的优化改进。这篇报告为我们讲解了关于重力势能驱动的自控行走小车的设计方向和设计所要注意的问题，给了我很大的启发。
2015
年1月15日，郑小军、戈凯强、李昭、白小敏在《科技视界》发表的“
无碳自行避障小车的技术设计”一文中提到：分析各参数对小车行走的影响及绘制小车行走轨迹，实现优化设计，并最终指导零件尺寸的精确设计。这为我们后续的设计工作提供了强有力的援助。2016年，在《现代制造技术与装备》第10期中，石云浩发表“无碳重力小车的研究与设计”一文，这篇报告中提出：重力小车只以给定重力作为动力来源，通过巧妙地装置将重力势能转换为机械能，驱动小车前行，并能自动避开道路上设置的障碍物。小车的动能完全由重力势能提供，深刻体现了无碳的概念，是对环保的最高理想，故又称为无碳重力小车。与其他类似的模型小车相比，无碳小车更注重能量的利用、车体结构的稳定性、匀速性等。这篇报告全面地问我们讲解分析了重力势能驱动的自控行走小车的工作原理。让我们可以树立一个明确的目标。
3.总结
1980
年联合国召开的“联合国新能源和可再生能源会议”对新能源的定义为：以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始的可再生能源取代资源有限、对环境有污染的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能等，重力势能同样属于新能源的重要组成部分。本设计研究的重力势能驱动的自控行走小车就是一种将重力势能转换为机械能，并用于驱动小车行走和转向的装置。该小车能够较好的将重力势能转化为机械动能，而机械动能作为小车的动力源不消耗不可再生能源且不易造成环境污染。符合国家所提倡的“
绿色环保”“可持续发展”等理念，所以设计一种无碳环保的小车势在必行。
参考文献
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