基于加速度计的主动式外挂尾翼的设计与制作

    这是一个学生的作品案例，体现了在一个工程项目当中创客基本技能、研究方法以及多学科融合在具体的项目中的应用，并呈现了一种从校园创客空间到家庭创客空间的理想的育人状态。

    前一段时间加载了空气动力学辅助系统的兰博基尼跑车，创造了最新的赛道记录，于是我有一个想法，能不能在模型车上使用类似的3D打印结构，通过加速度计判断车体的姿态，来实现速度的自动控制，提升转弯效能和刹车效率。经历了建模、测试、编程等环节，最终完成了这个项目。

    ● 问题的提出和设计的条件

    出于经济与实用性考虑，设计条件为：尽可能降低巡航风阻（可以节省油耗），尽可能获得更多下压力（使得汽车操控性提升），可以安全合法地在真车上使用，即使用加速度计进行控制（控制成本）。

    根据条件，在机械方面，确定选择了GOE 431翼型来制作尾翼，用舵机和钢丝拉杆控制尾翼角度的方式，必要时，牺牲低风阻以提供下压力，且能够参与制动。尾翼的位置被移动到c柱，防止因杠杆原理导致前轮抓地不足。程序方面，由于没有速度计和牵引力控制系统的介入，所以只能用开环的方式控制尾翼。这就要求通过测试来掌握尾翼角度在通常情境下与转向加速度的关系。

    ● 测量模型汽车、舵机尺寸，确定尾翼尺寸

    用solid works软件对尾翼零件进行3D建模，并进行装配，检查是否工作正常。在这里，尾翼被设计得比较高，是要避免与遥控车的外壳固定柱发生干涉。这个高度并不能合法上路，对于正常汽车来说，尾翼不需要做得这么高。与建模同时进行的还有开发板和加速度计的固定座（如图1）。

    ● 用3D打印机打印零件

    经过建模后，用家用3D打印机打印，并用热熔胶和螺丝等方式，固定在模型车上。

    ● 编写记录传感器数据的程序

    为了获取数据，需要编写程序记录不同速度、不同尾翼倾角下转向加速度和刹车加速度的范围，通过拟合法，求出尾翼倾角与最大加速度的近似线性关系。

    ● 编写尾翼控制程序并测试

    通过保持一定冗余抓地力的方式，实现对尾翼的开环控制。随后，启动控制程序，再进行测试，对之前程序进行修正（如图2）。

    ● 结论

    实验研究表明，加装外部尾翼的模型車刹车时间减少了30%，效果非常明显。这种设计可以较好地提升车身稳定性，并且有效地缩短了刹车距离。

    指导教师点评

    刘澈是小学、初中、高中一直在北京景山学校就读的学生，他从小喜欢汽车模型，进入初中后单纯的操作已经不能够满足他的需求，于是就开始自行设计和改造模型，在这个过程中，信息技术十几年的学习功不可没。他是景山学校创客社团电子创新社的创社社长，除了在学校的创客空间中上课之外，这个作品大部分都是在他的家庭创客空间中完成的，该作品荣获2019年北京市师生电脑作品比赛创客项目的一等奖，表现出刘澈同学很强的个人能力和在工科、工程方向的培养潜质，期待正在高三的他，能够取得更好的成绩，考入理想的大学。