太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛宜元，楊傳華，溫曉鑫，黃 達(dá)，付 鏡，王偉東，周遠(yuǎn)航，蔚志超（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛宜元，楊傳華，溫曉鑫，黃 達(dá)，付 鏡，王偉東，周遠(yuǎn)航，蔚志超
（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，石油的需求量越來(lái)越大，而石油是不可再生資源，且存在環(huán)境污染等問(wèn)題。太陽(yáng)能無(wú)疑是理想的替代能源。設(shè)計(jì)了以太陽(yáng)能作為動(dòng)力的智能自驅(qū)式避障小車(chē)模型，以單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器接收環(huán)境信號(hào)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)行駛和轉(zhuǎn)向。模型中太陽(yáng)能電池板具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，保證能量的最大供給。為下一步行駛試驗(yàn)提供理論支持。

太陽(yáng)能；自驅(qū)；單片機(jī)；避障傳感器

0 前言

英國(guó)于1978年研制出了第一臺(tái)太陽(yáng)能汽車(chē)，該汽車(chē)時(shí)速為13公里。1999年，巴西圣保羅大學(xué)的科研人員研制出的三輪太陽(yáng)能車(chē)時(shí)速達(dá)到100公里。2003年在澳大利亞太陽(yáng)能汽車(chē)比賽上，由荷蘭制造的太陽(yáng)能汽車(chē)奪得冠軍，創(chuàng)造了時(shí)速170公里的新世界紀(jì)錄。我國(guó)清華大學(xué)在1996年研制出了“追日”號(hào)太陽(yáng)能汽車(chē)時(shí)速達(dá)到了80公里。2001年上海交大研制出了首輛可載人的太陽(yáng)能汽車(chē)“思源號(hào)”[1]。在智能汽車(chē)方面從20世紀(jì)70年代，美歐一些國(guó)家就開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車(chē)的研究。其中美國(guó)國(guó)防部舉辦的機(jī)器車(chē)挑戰(zhàn)大賽對(duì)智能汽車(chē)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。我國(guó)由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦的“飛思卡爾”智能車(chē)競(jìng)賽促進(jìn)了我國(guó)對(duì)智能汽車(chē)的研究[2]。但是對(duì)于太陽(yáng)能智能小車(chē)的研究還處于空白狀態(tài)。本文所研究的太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)就是利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力源，提供小車(chē)在行駛過(guò)程中的能量；采用51單片機(jī)控制導(dǎo)航單元、避障單元，實(shí)現(xiàn)小車(chē)按預(yù)定軌跡自主行駛，并在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境、速度變換及其他控制指令等多種功能。

1 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

智能小車(chē)是機(jī)器人的一種形式，主要是通過(guò)電腦控制小車(chē)的運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，而智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)要涉及控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車(chē)電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)主要由單片機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、轉(zhuǎn)向控制器、紅外傳感器等組成。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的啟停、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及速度變換功能。太陽(yáng)能電池板具有對(duì)日定向功能，可實(shí)時(shí)根據(jù)太陽(yáng)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)角度，最大限度吸收太陽(yáng)光對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，提供小車(chē)行駛的能量；小車(chē)通過(guò)紅外線(xiàn)傳感器接收周?chē)h(huán)境信號(hào)，并將信號(hào)反饋給單片機(jī)，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向控制器實(shí)現(xiàn)避障功能，小車(chē)可以自動(dòng)的繞過(guò)地面障礙物，即使在復(fù)雜的道路當(dāng)中，也可以判斷出最佳的路線(xiàn)。

圖1 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制單元設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由導(dǎo)航單元、避障單元、太陽(yáng)能光伏電池及轉(zhuǎn)向單元等組成，各單元均由51單片機(jī)進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。該控制系統(tǒng)由51單片機(jī)控制這個(gè)太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)的各個(gè)單元。各個(gè)單元將收集到的信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出指令。例如避障單元，安裝在小車(chē)上的紅外線(xiàn)傳感器，向外發(fā)射一定頻率的紅外線(xiàn)，當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候紅外線(xiàn)會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)會(huì)將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，然后單片機(jī)會(huì)發(fā)出指令，讓小車(chē)向沒(méi)有障礙物的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在太陽(yáng)能電池板上的光強(qiáng)傳感器將周?chē)墓獾膹?qiáng)弱傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)控制太陽(yáng)能電池板旋轉(zhuǎn)，使太陽(yáng)能電池板與光入射方向盡可能垂直，提高光電轉(zhuǎn)化率。

圖2 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制系統(tǒng)原理圖

2.1 導(dǎo)航單元

太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)的導(dǎo)航單元由GPS信號(hào)收發(fā)器及路線(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備構(gòu)成，其工作原理為由地面主控站收集各監(jiān)測(cè)站的觀(guān)測(cè)資料，計(jì)算各衛(wèi)星的星歷表及衛(wèi)星鐘改正數(shù)，按規(guī)定的格式編輯導(dǎo)航電文，通過(guò)地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測(cè)量定位時(shí)，用戶(hù)可以利用接收機(jī)的儲(chǔ)存星歷得到各個(gè)衛(wèi)星的粗略位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自身位置，由計(jì)算機(jī)選擇衛(wèi)星與用戶(hù)聯(lián)線(xiàn)之間張角較大的四顆衛(wèi)星作為觀(guān)測(cè)對(duì)象。觀(guān)測(cè)時(shí)，接收機(jī)利用碼發(fā)生器生成的信息與衛(wèi)星接收的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，并根據(jù)導(dǎo)航電文的時(shí)間標(biāo)和子幀計(jì)數(shù)測(cè)量用戶(hù)和衛(wèi)星之間的偽距。將修正后的偽距及輸入的初始數(shù)據(jù)及四顆衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)值列出3個(gè)觀(guān)測(cè)方程式，即可解出接收機(jī)的位置，并轉(zhuǎn)換所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)，以達(dá)到定位目的[3]。在小車(chē)行駛前通過(guò)GPS信號(hào)收發(fā)器發(fā)送小車(chē)的所在位置及目的地的方位，然后通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)分析處理GPS信號(hào)接收器收到的反饋信號(hào)對(duì)小車(chē)進(jìn)行定位及導(dǎo)航。通過(guò)GPS信號(hào)接收器還可以計(jì)算出用戶(hù)的位置、行駛方向以及運(yùn)動(dòng)速度方面的信息，然后通過(guò)車(chē)載LED屏幕顯示。

2.2 避障單元

太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)避障功能利用紅外檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。小車(chē)前方安裝三個(gè)紅外線(xiàn)收發(fā)管按一字形排列，發(fā)射部分采用555定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，接收部分采用紅外一體化接收頭。通過(guò)發(fā)射的紅外線(xiàn)來(lái)判斷前方是否有障礙物，若前方有障礙物，則將情況傳遞到單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生串行的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)特定的芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，從而進(jìn)一步的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及小車(chē)的變向。未接近障礙物時(shí)，接收頭輸出保持高電頻；在距離臨近時(shí)，接收頭接收到反射回來(lái)的單一頻率的紅外信號(hào)后，輸出低電頻。但在一定距離范圍內(nèi)，接收信號(hào)有所不穩(wěn)定，所以采用電容電阻進(jìn)行消振，除去干擾。同時(shí)采用二極管進(jìn)一步減弱近光源干擾。紅外檢測(cè)占用的單片機(jī)資源更少，同時(shí)還可以使用PWM方式控制電機(jī)[4]。

2.3 太陽(yáng)能光伏電池單元

為吸收并存儲(chǔ)更多的太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能的利用率，應(yīng)使電池板自動(dòng)跟蹤尋找太陽(yáng)光最強(qiáng)的方向，即應(yīng)具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。本文設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照射角度的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以提高太陽(yáng)能電池的光-電轉(zhuǎn)化率。該系統(tǒng)是以凸輪機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)為核心，利用太陽(yáng)軌道公式進(jìn)行太陽(yáng)高度角及方位角計(jì)算，并借助兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板始終垂直于太陽(yáng)入射光線(xiàn)，從而提高太陽(yáng)能的吸收效率。工作時(shí)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)感知來(lái)自不同方向光輻射強(qiáng)弱的太陽(yáng)光線(xiàn)，將信號(hào)傳給單片機(jī)，判斷陽(yáng)光的方向，進(jìn)而控制太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖3所示。該機(jī)構(gòu)采用極軸追蹤的方法，具體就是利用光強(qiáng)傳感器，感受周邊的陽(yáng)光強(qiáng)弱，將感受的光強(qiáng)信號(hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和放大，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整太陽(yáng)能電池板的對(duì)日角度，使太陽(yáng)能電池板可以最大程度的提高光電轉(zhuǎn)化率。當(dāng)日落后，由于沒(méi)有陽(yáng)光，此時(shí)單片機(jī)會(huì)控制太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到近似水平位置[6]。

圖3 太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

當(dāng)太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)啟動(dòng)后，太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)會(huì)在原地自動(dòng)尋找最優(yōu)光照方向，當(dāng)確定光源的方向后，太陽(yáng)能電池板會(huì)轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光最強(qiáng)的方向，太陽(yáng)能電池板將會(huì)吸收太陽(yáng)能進(jìn)行充電，完成充電飽和狀態(tài)之后，太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)會(huì)向著目的地行進(jìn)[7]。

3 軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)能否順利執(zhí)行各項(xiàng)指令的基礎(chǔ)。本文以單片機(jī)作為小車(chē)控制系統(tǒng)的核心，采用多傳感器進(jìn)行信息采集，利用GPS信號(hào)收發(fā)器及路線(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備制定導(dǎo)航路線(xiàn)；紅外避障傳感器設(shè)計(jì)避障單元；采用PWM技術(shù)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向。

小車(chē)存儲(chǔ)控制器采用S3C2440控制器，該控制器可以直接與電源相連，采用64位SDRAM的內(nèi)存，具有復(fù)位電路，有冷復(fù)位和熱復(fù)位之分，把單片機(jī)從沒(méi)加電到加上電源，而自動(dòng)產(chǎn)生的復(fù)位稱(chēng)為冷復(fù)位；單片機(jī)在已經(jīng)通電的情況下，給它一個(gè)復(fù)位信號(hào)，稱(chēng)為熱復(fù)位。冷復(fù)位會(huì)使單片機(jī)的特殊功能寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容都改變；而熱復(fù)位只是特殊功能寄存器的內(nèi)容改變而單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容不變，采用PWM方式控制電機(jī)的方法控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向，使小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制器原理如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)控制器原理圖

太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)避障流程如圖5所示。

開(kāi)機(jī)后，首先小車(chē)在原地通過(guò)感應(yīng)傳感器檢測(cè)到信號(hào)自動(dòng)完成尋光功能，確定光源方向后，單片機(jī)會(huì)發(fā)出指令，太陽(yáng)能電池板會(huì)旋轉(zhuǎn)，盡可能的與陽(yáng)光的入射方向呈直角，通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)將吸收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)在蓄電池當(dāng)中。如果小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中左側(cè)檢測(cè)障礙物時(shí)，障礙物臨近一定的危險(xiǎn)范圍時(shí)，小車(chē)會(huì)通過(guò)接收傳感器反射回來(lái)的光波做出相應(yīng)的“活動(dòng)”人性化的右轉(zhuǎn)避障繞過(guò)障礙物繼續(xù)前進(jìn)。在行進(jìn)的工程中為了使太陽(yáng)能電池板能夠最有效的充電，如果左邊感應(yīng)傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光照信號(hào)比較強(qiáng)單片機(jī)會(huì)控制太陽(yáng)能電池板向左旋轉(zhuǎn)，在充電過(guò)程中太陽(yáng)能板通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)始終智能化地在檢測(cè)充足光源完成充電并且保證行進(jìn)方向的正確和太陽(yáng)能板正對(duì)光源，如果在行進(jìn)過(guò)程中右側(cè)傳感器檢測(cè)到障礙物信號(hào)，小車(chē)會(huì)通過(guò)“小車(chē)神經(jīng)”——單片機(jī)發(fā)出指令，相應(yīng)的單元就會(huì)執(zhí)行這個(gè)指令。同理可用相同的方法控制小車(chē)的右側(cè)避障左側(cè)尋光。當(dāng)小車(chē)到達(dá)目的地之后，太陽(yáng)能電池板會(huì)持續(xù)吸收太陽(yáng)能，將吸收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池當(dāng)中，直到蓄電池充滿(mǎn)電。

圖5 太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)避障流程圖

4 結(jié)論

（1）太陽(yáng)能自驅(qū)式避障小車(chē)采用太陽(yáng)能作為能源對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義；

（2）采用雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光照射角度，提高了太陽(yáng)能電池的光-電轉(zhuǎn)化率；

（3）小車(chē)的設(shè)計(jì)原理可以為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供理論支持。

［1］太陽(yáng)能汽車(chē)國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史［EB/OL］.http：//auto. 163.com/08/0507/18/4BC283JM000816IP.ht?ml.2008，5.

［2］李晨，宓超.基于飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128的智能車(chē)設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（1）：82-84.

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［5］李紫倩，梁飛，孫榮霞，等.太陽(yáng)能電池按經(jīng)緯和時(shí)間自跟蹤控制器設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2012，35（4）：6-10.

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Self-Propelled Avoidance Car Control System Design of Solar Energy

GE Yi-yuan，YANG Chuan-hua，WEN Xiao-xin，HUANG Da，F(xiàn)U Jing，WANG Wei-dong，ZHOU Yuan-hang，YU Zhi-chao
（College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi154007，China）

With the rapid development of economy，increasing demand for oil，while oil is a non renewable resource，and environmental pollution problems exist.Solar energy is the ideal alternative energy.This design with solar powered intelligent Self-propelled avoidance car model，model takes the SCM as the core of the control system，Environmental signals received by the sensor，and thus control the stepper motor rotation，to achieve automatic car driving and steering.Solar panel model with automatic steering function，to ensure that the maximum power supply.This paper provides a theoretical driving test for the next support.

solar energy；self-propelled；SCM；obstacle avoidance sensor

TP273

A

1009－9492(2014)05－0084－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.021

葛宜元，女，1982年生，黑龍江勃利人，博士，講師。研究領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備性能設(shè)計(jì)及檢測(cè)。

楊傳華，男，1970年生，山東魚(yú)臺(tái)人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域：智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械與設(shè)備研究。

(編輯：向 飛)

*2013年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：201310222009）；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：QC2011C073）；黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：1252G058）

2013－11－11