2021年_I题：具有发电功能的储能小车

任务名称

任务要求

难度

一任务

设计并制作一个具有发电功能的智能小车，该小车具有液晶显示功能，采用超级电容（法拉电容）作为储能元件。手动推动小车在图1所示的手动发电区内，从A点单向直线运动至B点，重复该过程5次，完成一次完整充电过程，为超级电容充电。充电完成后的小车，按要求完成规定动作。

二要求

基本要求
- (1) 小车在充电过程中，能够点亮 LED 指示灯。
- (2) 将完成充电的小车，置于地面的指定起始点，一键启动，小车延迟 1s后向前行驶直至完全停止，测量小车从起始点到停止点的直线距离 L1，要求 L1不小于 100cm，小于 100cm 扣分。
- (3) 要求小车能实时显示其行驶距离。
发挥部分
- (1) 小车在手动发电区内完成充电后，将小车置于图 1 所示的圆形循迹区起始点 S，一键启动，小车延迟 1s 后沿着黑色圆形循迹线行驶直至完全停止，记录小车行驶距离 L2, L2越远越好。
- (2) 在圆形循迹线下方放置多枚人民币壹元硬币，要求小车在行驶的第一圈探测硬币，每探测到一枚硬币 LED 灯点亮一次，并显示探测硬币的枚数。一圈后不再检测，错检、漏检或多检均扣分，硬币由参赛队自带。
- (3) 其他。

三说明

手动发电区用长为 100cm，表面未做过任何打磨处理的细木工板制作，木工板厚度不小于 15mm；圆形循迹线可通过打印的方式，打印于白色广告纸上，线宽≤2cm，颜色为黑色；循迹区外径为 60cm，可由参赛队自备。
一个完整充电时间不大于 40s。
法拉电容作为小车的唯一储能元件；不可通过对机械结构的改装，利用惯性原理辅助小车运行，一经发现，不予测试；电路板需暴露便于检查，车体不得加外壳。
测试开始后装置不可更换任何部件；每次测试前，要求对小车的储能元件进行完全放电，确保小车无预先储能。
每次小车充电结束，启动运行前，需确保小车轮子停止转动，由静止状态一键启动。
测试过程中，起始点与停止点均以小车最前端投影为准，L1 为指定的起始点到小车停止点的直线距离。
发挥部分（2）中硬币放置于圆形循迹线（白色广告纸）下方，在测试现场根据专家要求，可进行位置和数量调整。

评审标准

参考答案

电源部分（发电+电容充电）：
- 手动发电装置：使用手动摇动发电装置，产生约5V电压，连接到超级电容器用于储能。
- 超级电容器：选择适当容量的超级电容器，能够在手动发电过程中快速充电并且满足小车的用电需求。
- LED指示灯：在小车充电过程中，LED灯应能自动点亮，说明正在充电。
驱动部分（小车+电路）：
- 电机驱动：小车搭载直流电机，通过超级电容放电驱动小车前进。
- 距离传感器：在小车前安装距离传感器（如超声波传感器），用于检测终止点并停下。
- 电路板（控制+充电显示）：包含电机驱动模块、距离传感器模块、LED指示灯模块。

微控制器（如Arduino）的程序设计：
- 充电检测和指示：实时监测电容电压，一旦进入充电状态，点亮LED指示灯。
- 驱动控制：根据传感器数据控制电机驱动小车，从起点到终止点直线行驶，检测到终止点时停止。
- 自动起停控制：在充电完成且放置到指定起点位置后，一键启动小车，小车行驶至终止点后自动停止。

本题考察的知识点

本题目考察小车电源设计、手动发电、超级电容充电、LED指示灯控制、微控制器编程、距离传感器应用以及电机驱动控制等硬件工程领域的综合知识。通过实现电动小车的自动充电、启动与路径行驶来检测对上述知识的掌握程度。