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作品如下图： 图1小车成品 作品简述：
第一次参赛，作品略显简陋，最终爬坡成绩以角度表示的话能爬54°的坡到顶，在本赛区的附加赛题中，20秒充电能够爬48°的坡到顶部。 小车方案做过多次改动，因为小组内成员以电气及自动化专业为主，对于机械设计等方面知识不是很了解，在快速完善小车的软硬件部分后，我们主要的工作集中在调整小车的机械结构上，小车底盘、电机、驱动方式经过多次推翻重选，在多次实验下确定这个车体。
图2实验室的队友 心路历程： 最初小组内商量选择手势题，后因为智能车参赛经历发现节能小车似乎更加有趣，三天比赛时间，我们提高的不是什么专业知识，编程能力，更多的是提高了团队合作能力，完成项目的能力，从确定方案，实施方案再到推翻、实验等等，在比赛过程中发现自己有很多欠缺的地方，队友之间的配合也变得默契。总的来说，很感谢电赛这么一个平台，让自己得到改变、提高。 最终的技术报告：
图3 比赛要求的一米长坡道
图4pcb板焊接
图5 自启动电路
0102c.pdf
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节能小车（C 题）
技术报告
1. 设计方案工作原理
1.1 摘要
本题是在规定时间内充电，然后让小车运行直至将电量耗尽。从另外一个角度来看这是一个节能小车题目。我们小组的电路系统是由硬件电路为主，软件控制为辅的电子模块组成。主要分为两大模块：电源端电路和车辆运动控制电路。其中电源端电路包括无线充电模板的发射器线圈模块和MSP430单片机通过继电器的定时充电模块。车辆运动控制电路包括无线充电模板的接收器线圈模块、自行设计的自启动模块、15F法拉电容充电模块、TPS63020的DC--DC稳压模块和大力矩电机工作模块。由于充电时间是一分钟，如何提高各个模板的效率使小车跑的更远，爬得更高是本次竞赛的核心内容。
1.2 预期目标
（1）制作一套无线充电装置，其发射器线圈放置在路面。无线充电接收器安装在小车底盘上。
（2）制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储能，经DC-DC 变换给电动车供电
（3）充电1 分钟后，当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动。
（4）充电1 分钟后，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶，路面长度不大于1m，斜坡倾斜角度θ自定。
1.3 技术方案比较
（1）电机的选择
在比赛期间，我们寻找了很多种电机，包括：N20、爬坡小车电机、四驱小车电机和空心杯电机。
①N20 电机：N20 电机是一种微型直流低速减速电机，电压工作范围是DC1.5~12.0V，扭矩约1.2kg.cm。
②爬坡小车电机：这种电机是在市场上购买的爬坡小车的电机，特点是转矩大，转速低。
③四驱小车电机：这是在市场上买的四驱车的电机，这种电机的优点是转速快，转矩小。
④空心杯电机：这是各种智能车大赛常用的节能电机。在小车竞赛论坛上，这种电机被称为转矩和转速的完美结合。可是在实际应用在，发现这种电机由于供电的原因并不适合本次比赛。
我们经过分析与比较进选定爬坡小车的电机作为比赛使用电机。
（2）轮子的选择
我们在初步试验时发现，如果电能够用的话，轮胎的的好坏直接影响了爬坡高度。在选择轮子时，我们有这几种思考方向：大小，摩擦能力，个数，是否使用履带式。下面我们对这几个方向进行分析。
①轮胎大小：我们在实际应用中发现，在爬坡过程中，前轮小，后轮大是最适合的。其他形式的大小会使小车在爬坡过程中翻车。
②轮胎摩擦力：轮胎的摩擦力在一定程度上决定了小车爬坡的能力。在竞赛过程中，会出现小车在斜坡上打滑，甚至爬爬退退的情况。
③轮胎个数：我们最初准备两种方案，三轮小车和四轮小车。搭设好三轮小车后发现这种选择方向性不是很好。后来我们搭设四轮小车，小车运行方向基本可以按照直线运行。所以我们果断选择四轮小车的方法。
④是否使用履带式：在调试过程中，我们发现如果将小车前后轮加上履带（暨电胶布或双面胶），会在一定程度上提高小车的摩擦力。可是在后续调试中我们认为如果将轮胎附上履带，会额外增加损耗增加电容负担。
（3）电容的选择
由于竞赛题目的提醒，我们直接选用了法拉电容。我们选择的规格有1F、5F、15F。我们对电容进行试验分析，得到如下数据：
表 1 电容试验分析
由表格并联电容并不会对这种电容的充电曲线产生较大影响。大电容在充一分钟后仍是较大电流充电。
电容选择一个15F 电容，可以很长时间的恒流充电，保证最大限度的提高充电效率，在1 分钟内完成接近理想的充电效果，并且充电电压足以驱动TPS93020 模板电机稳压供电。
（4）小车模型的选择
在试验时发现，小车的车轮长度、长、宽、质量总额及分布对于小车悬停角度、抓地力、行驶方向的稳定性、最大行驶角度以及相应持续时间有很大影响。因此，我们根据已有条件设计出多个方案。
①后轮子直径5cm，前轮子3.5cm，小车长度10cm 宽度8cm，高10cm、无额外负载，单电机驱动，质量集中。追求在质量上的能量消耗小，结果表明，在较高的坡度下会翻车，无法充分利用转矩大的优势，最高角度30 度。
②后轮子直径6.2cm，前轮子2.5cm，小车长17cm，宽度15cm、两侧加负载20g，单电机驱动，质量分布在前后两端。通过多次前后及两翼的额外负载，保证上坡的稳定不翻车、提高摩擦力，充分利用转矩大的优势，得出最高悬停49 度、最高运行角度48 度，缺点是无法充分利用电量。
③后轮子直径6.2cm，前轮子6.2cm，小车长18cm，宽度15cm ，前段加负载10g，双电机驱动，质量较为集中在中部偏高。在悬停上达到55 度，最高运行角度50 度，已充分利用转矩大和电量大的优势，但重心高决定爬坡没有较大的提升。
综合起来，虽然方案三对于方案二在爬坡角度上没有明显的提升，因为在自启动方面的优异性，是最佳的选择。
（5）自启模板的选择
经过组内分析讨论及上网搜查资料，我们确定了三种实现方法。
①光耦开关：光耦主要做电气隔离用，有两种类型，一种是开关型的（常用），一种是线性的（少用）。开关型的，本身就是做隔离开关用，但是其输出的电流有限，通常只有几十mA 的水平，不能控制功率型的负载，如有功率型负载，则中间需要用继电器转接，由继电器完成大功率的控制。
②继电器：考虑到小车上的模板用继电器会损耗很多的电能，进而影响法拉电容的充电，这种方法有很大弊端。
③自行设计：我们通过对题目要求和对硬件电路的理解，提出了如下图的电路自启电路：
图1 自行设计小车自启动模板
考虑材料，效果，时间等因素，我们决定选择自行设计的方案。经过测试，自启动稳定。
（6）开关三极管的选择
在设计的硬件电路中有多个三极管，考虑到三极管的损耗，我们想到使用mos 管。经过仿真和试验，考虑到焊接难度和效果，我们决定在部分电路使用mos 管。
（7）小车上是否需要单片机控制
由于小车在第四大题需要爬坡，我们考虑到单片机控制会不会有更好的效果。但是当我们进行试验时发现，如果让单片机工作，至少要在小车上搭一个最小系统，包括：单片机芯片、晶振、供电系统等。经过试验，我们发现单片机的控制效果并没有预期的有效，而且还给小车加上了很多负载。所以我们决定，在小车上实现全部硬件控制。
1.4 简述系统工作原理
将无线充电模板的发射器线圈模块和单片机通过继电器定时充电模块连接成电源，将无线充电模板的接收器线圈模块、自启动模块、法拉电容充电模块、DC--DC 稳压模块和电机工作模块连接成小车。
上述模块初步实现竞赛题目要求，具体原理会在‘核心电路设计’具体描述
图2 小车工作原理
1.5 各个模块功能指标
（1）无线充电模块
输入电压：5V
输出电压：5V
最大输出电流：1A
正常使用距离：2~10mm
（2）单片机定时模块
通过定时器接入电源控制继电器在60s 时关断，按键复位并开始计时
（3）自启动模块
能够在电源断电瞬间启动
（4）法拉电容充电模块
电容容量：15F
充电一分钟时电路的电流：0.14A
充电一分钟时电路的电压：3.2V
（5）DC--DC 稳压模块
输入电压：1.8V--5.5V
输出电压：3.3V
输出端口个数：2 个
（6）电机工作模块
电机工作电压：3.3V
电机空载工作电流：0.05A
电机堵转工作电流：0.41A
1.6 可行性分析
（1）上坡耗能
E=mgh+fS+E 堵 （公式 1）
Ff=μN （近似匀速上升） （公式 2）
E 堵=I2R （电机堵转耗能） （公式 3）
无线充电效率约80%,考虑电容容量，在充入一定电量后，充电功率降低，结合电压与电流变化数据，计算得出 60s 内电容充入约 200J 能量。
（3）多少电能会带不动 DC--DC 模板
TI 公司提供的 TPS63020 转压芯片能够在输入 1.8V-5.5V 电压情况下稳定输出一定电压，我组设计电容供电电路中，当电容输出电压低于 1.8V 后电机电压缓慢减小，此时电路无法带动 DC-DC 模块，且无法驱动电机，此时电容电余量较少，能高效利用电容电量。小车不运动时，电容电压约为 1.65V。
（4）总能量流向
小车行驶过程中，需要克服地面摩擦力（包括滚动摩擦力和滑动摩擦力），电回路中阻容元件耗能，机械能转化势能变化等。
2. 核心电路设计
2.1 无线充电
图 3 无线充电模板
无线供电技术可以让接收端隔着空气、纸张或者塑料外壳等就能实现电能的传输，当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。本模块电路简单，接收加上整流和稳压电路部分的损耗，发射传输效率高达百分之九十。
2.2 用单片机定时的电源 电源限定在5v，最大电流为1A，自动调控恒流输出和稳压输出。通过msp430 单片机定时控制继电器进而控制电源开断。具体代码见附件一。 2.3 小车自启动
图 4 小车自启动模板
当无线充电接收端在1 号口发电时，整个电路工作在给电容充电阶段。当无线充电接收端断电时，电容立刻放电给电机驱动模板供电。
2.4 DC--DC 模板 图 5 DC--DC 模板
利用核心芯片TPS63020 通过外电路搭建，使电路能够在输入为1.8V--5.5V 时都能稳定输出3.3V 电压给电机供电。 3.系统软件设计分析 由于我们小车采用全硬件设计思路，所以在整个工作系统中，只有电源定时模块有软件设计。软件主要实现了通过键盘控制LCD 显示时间，并且定时一分钟的功能。
4.作品成效 4.1 各个题目完成情况 小车可以无线充电，平地可以跑40m，能够爬50 度坡。
4.2 小车特色 后轮子直径6.2cm，前轮子6.2cm，小车长18cm，宽度15cm ，质量较为集中在中部偏高。小车重量大，驱动力强，因为前后轮转速相同，但在上坡过程中不同，要加上履带达到速度相同的效果。在爬坡时，能量消耗高，启动效果好，确保在运行至最高时，使用完存储的能量。
5.遇到的困难及具体解决方法 5.1 自启动电路 该电路考虑到当1 号口没有输入时，三极管基极会与二极管形成回路。在实际应用中，如果采用TTL 的话，会有很大损耗。在我们改成mos 管后，结果明显改善。
5.2 电机效率与转矩的矛盾 空心杯效率高，电机转速高，转矩低，在速度上性能优异，但无法在爬坡角度上有令人满意的表现。爬坡小车效率不高，转速慢，转矩低，只有充分利用其转矩，才能保证效率的转换。
5.3 机械结构的最优化 重量分布合理，就会将重量转换为摩擦力，重量在斜面上的分量与驱动力相适应，达到结构的最佳优化。首先，我们确定最佳的停止角度对应的模型，通过更改连接结构、轮子大小、外胎材料，确定适合的模型若干，确定重量，计算出需要的力矩然后，计算出不同电机在额定转速下的转矩，并适配合适的模型。通过对比和调整，确定出最佳的机械结构。
5.4 摩擦力与驱动力的关系 小车在爬坡的过程中，容易出现轮胎打滑的现象，增加负载有利于提高摩擦力，但增加了负载也意味着小车能耗的增加。打滑、浮空意味着摩擦力不足，小车停止运转意味着驱动力的不足。因此，我们测取方案二小车的不同负载下的最高停止角度和最高可运行角度。
表 2 负载实验数据
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