太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車的研究

張洪宇 葛宜元 王琪 魏天路 杜爽 周華劍 馬雪建 張晉嘉

摘 要：太陽能溫差發(fā)電智能型循跡避障小車以AT89C51單片機(jī)為控制中心，利用溫差發(fā)電，傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)外部環(huán)境、路徑等信息，來實(shí)現(xiàn)自動方向控制；采用電荷耦合元件進(jìn)行識別位于白色地面中的任意黑色帶狀引線的路徑，使小車可以沿黑色導(dǎo)引線完成自動行駛。主要對小車的結(jié)構(gòu)、工作原理、溫差發(fā)電、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電能；智能；循跡；避障

中圖分類號：S237文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.006

Abstract： This product is a solar thermoelectric power generation intelligent obstacle avoidance car tracking， car to AT89C51 microcontroller as the control center， making use of the thermoelectric sensor， real-time sensing external environment， path and other information， to achieve automatic direction control， path by charge coupled device for identification in any black ribbon lead white in the ground. The car can automatically run along the black wire. In this paper， the temperature difference， power generation， hardware design， software design and test results of the car are analyzed.

Key words： thermoelectric generation； intelligent； tracking； obstacle avoidance.

0 引言

隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，機(jī)械智能化的要求也不斷提升，人們對生活中各個方面智能化操作的期望也日益增強(qiáng)。智能化不僅提高了工作效率，還能減少人身安全的危險(xiǎn)性。自1959年，英格伯格和德沃爾一起制造出第一臺工作機(jī)器人以來，機(jī)器人已經(jīng)在各個地區(qū)和領(lǐng)域發(fā)展起來，近幾年智能機(jī)器人的水平不斷提升，逐漸改變了人們的生活水平。近年來，智能尋跡避障小車的發(fā)展越來越吸引人們的眼球，國內(nèi)外也因此開展了一系列的競賽活動。

目前，在世界經(jīng)濟(jì)多元化活躍的大背景下，智能車研究和開發(fā)已經(jīng)是各個國家科技發(fā)展的重要部分。在二十世紀(jì)高新技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代，智能循跡小車成為機(jī)器人技術(shù)的一個重要分支。在生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境不斷改進(jìn)下，自動化技術(shù)不斷提高的條件下，智能車得到了前所未有的發(fā)展，且已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域和地區(qū)，智能車及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)已日漸成熟[1]。然而，利用新型能源作為智能循跡小車的動力來源是人們更需要的。

1 研究的意義及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1.1 研究的意義和目的

本設(shè)計(jì)基于微處理系統(tǒng)，并利用GPRS設(shè)置無線通訊模塊，以此實(shí)現(xiàn)控制小車的前進(jìn)、后退、停止、直角及圓弧轉(zhuǎn)彎。以AT89C51單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，并將光、電、無線通訊等技術(shù)融為一體，運(yùn)用檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通訊技術(shù)、電子技術(shù)制作出一個太陽能溫差發(fā)電智能循跡小車，小車具有利用太陽能作為動力源，感知環(huán)境，自動識別與規(guī)劃路徑的能力。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，移動機(jī)器產(chǎn)生了，伴隨著智能車數(shù)量的不斷增加，移動機(jī)器人越來越受到人們的關(guān)注，且人類的生活水平也得到了一個提升，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。國家也對科技創(chuàng)新給予鼓勵，每年都會舉行相應(yīng)的電子大賽，幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大[2]。

自20世紀(jì)70年代以來，歐美發(fā)達(dá)國家便致力于智能小車的研究。在軍事方面，早在20世紀(jì)80年代，美國國防部就資助了自主陸地車輛ACV的研究。其中，我國吉林大學(xué)智能車輛研究組于2003年7月研發(fā)第一輛自動駕駛汽車。一個擁有感知環(huán)境、規(guī)劃決策、自動駕駛等功能的綜合系統(tǒng)，構(gòu)成了今天的智能車。它集中地運(yùn)用了傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)[3]。在2005年，日本愛知世博會上，豐田公司首次演示了ITMS無人公交系統(tǒng)。智能小車現(xiàn)今技術(shù)最高的當(dāng)是飛思卡爾舉行的比賽，采用先進(jìn)的攝像頭采集黑線線路，此時(shí)要求芯片的運(yùn)算速度是非常高的[4]。

我國于20世紀(jì)80年代研究智能車技術(shù)，大多數(shù)的研究只是處于單體技術(shù)的研究，相對其他發(fā)達(dá)國家，我國起步很晚。雖然我國在智能車技術(shù)方面起步總體相對落后，存在一定的差距，但是通過不懈的努力，取得了一系列的成就。

2 車體的框架

太陽能智能循跡避障小車由小車底盤、紅外線探測器、超聲波探測器。電源控制板、單片機(jī)、電源等主要部分組成（如圖1）。圖1a是利用PRO/E軟件將太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車制作成三維模型，是小車的整體框架構(gòu)造示意圖。圖1b是太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車的平面示意圖。

3 工作原理

3.1 智能循跡避障

由于太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車必須做到前進(jìn)、后退、停止和靈活的轉(zhuǎn)動，我們選擇了采用后輪驅(qū)動。后輪后面有一個驅(qū)動電機(jī)，通過調(diào)整后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速從而控制小車的啟動、停止和行駛速度，前輪起到支撐作用，將紅外線循跡傳感器裝在車體的前面，當(dāng)位于車身右邊的傳感器檢測到黑線時(shí)，主控芯片控制右側(cè)車輪減速，車身向右修正，反之向左轉(zhuǎn)（如圖2）。

3.2 太陽能溫差發(fā)電

太陽能溫差發(fā)電，是指利用溫差熱電器將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，利用新能源提供電能，不是傳統(tǒng)的化學(xué)能提供電能。該系統(tǒng)主要由太陽能聚光型集熱器、溫差發(fā)電反應(yīng)器和冷源三部分組成。溫差熱電轉(zhuǎn)換器是一個凸透鏡，系統(tǒng)原理是利用太陽能聚光型集熱器對溫差發(fā)電反應(yīng)器的一面進(jìn)行加熱形成熱端，而溫差發(fā)電反應(yīng)器的另一面通過冷源自然散熱形成冷端，這樣兩端就形成了一定的溫差，由于太陽能和冷源的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，從而可直接給小車提供電源，讓其運(yùn)動[5]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 循跡傳感器部分

RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，硅平面光電三極管是一個高靈敏度的接收器[6]。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：通過塑料透鏡提高靈敏度；通過內(nèi)置可見光過濾器來減小離散光的影響、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。

當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光沒有反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出高電平。此光電探測器具有調(diào)理電路簡單、工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。同時(shí)，采集傳感器信號，智能分析外部環(huán)境、路徑信息、自動實(shí)現(xiàn)方向控制，采用電荷耦合元件進(jìn)行路徑識別，可以識別位于白色地面中的任意黑色帶狀引線，使小車可以沿黑色導(dǎo)引線完成自動行駛。

4.2 避障傳感器部分

采用紅外線光電開關(guān)。由于紅外線指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播遠(yuǎn)，因而紅外線經(jīng)常應(yīng)用于距離的測量、障礙物的探測等。紅外線光電開關(guān)的重要作用是能夠處理光的強(qiáng)度變化，利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來反射物體，使光束發(fā)射經(jīng)過長距離后瞬間返回[7]。紅外線接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，以測定障礙物的方位及距離，并向小車發(fā)送控制信號以使小車?yán)@過障礙物。

采用超聲波傳感器，超聲波傳感器探測障礙是利用超聲波發(fā)送模塊向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，在一定距離內(nèi)遇到測定的障礙物就會立即返回超聲波接受模塊，再由相關(guān)電路處理，以測定障礙物的方位和距離。

5 硬件設(shè)計(jì)

5.1 印制電路板

印制電路板是電子工業(yè)重要的元件之一。印制電路板是電子元件與所述電路板的各種電子元件連接到一起的重要組成部分，它是連接電子元件之間的載體[8]。印制電路板之所以應(yīng)用的范圍越來越廣，有以下幾個有點(diǎn)：

（1）高密度性：印制電路板是可以高密度集成的電路，在集成度技術(shù)和安裝方面都有了提升和長進(jìn)[9]。

（2）高可靠性：經(jīng)過許多測試試驗(yàn)和老化試驗(yàn)，以確保印制電路板能夠有很長的使用時(shí)間（壽命有限，一般為20年），并且在電路中能夠可靠的應(yīng)用[10]。

（3）可維護(hù)性：由于印制電路板是應(yīng)用量很大的部件，電路板在設(shè)計(jì)上就已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，部件的組裝已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)件。所以，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，即可快速、快捷地更換原來的系統(tǒng)和部件。

5.2 激光傳感器

激光傳感器也是重要的組成部分。如果激光傳感器開始工作，使激光二極管發(fā)射出激光脈沖，發(fā)射方向即車輛的行駛方向。由于黑色軌道的反射作用，使激光散射不同方向。部分散射光返回到傳感器的接收器，接收光學(xué)系統(tǒng)成像在雪崩二極管中[11]。雪崩光電二極管屬于光學(xué)傳感器的一種，在它的內(nèi)部還能夠完成變焦的工作，所以非常弱的光信號也可以被接收到并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號[12]。在智能車上應(yīng)用的激光傳感器是市場上常見的激光距離傳感器，由于發(fā)射激光脈沖和受到發(fā)射的激光脈沖有延遲時(shí)間，通過計(jì)算這個時(shí)間差就可以知道傳感器與所測目標(biāo)相距多少。因?yàn)榧す鈧鞲衅靼l(fā)射的激光光速非?？欤砸欢ㄒ浅?zhǔn)確地確定激光傳感器的發(fā)送時(shí)間[13]。

6 實(shí)驗(yàn)部分

6.1 太陽能溫差發(fā)電部分

太陽能溫差試驗(yàn)部分利用凸透鏡進(jìn)行聚光，經(jīng)過聚光后轉(zhuǎn)換成熱能后提高溫差發(fā)電器熱端的溫度，冷源部分的傳熱元件是扁平熱管，利用化學(xué)反應(yīng)散熱，增大溫差發(fā)電器冷源和熱端溫差，來提高裝置的輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換的效率。對基于凸透鏡與扁平熱管水冷散熱的聚光太陽能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著冷卻水流量的增加，裝置輸出功率得到提高，當(dāng)冷卻水流量達(dá)到1 L/min后，輸出功率逐漸平緩，隨著溫差的增大裝置的最佳匹配負(fù)載也逐漸增加。在試驗(yàn)過程中，裝置的最大輸出功率為3.2 W，平均輸出功率為2.7 W，實(shí)驗(yàn)過程發(fā)出電量23.3 W·h，熱電轉(zhuǎn)換效率最大為5%，裝置最大效率4%。

6.2 智能循跡避障部分

太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車是由復(fù)雜集成傳感器的技術(shù)、環(huán)境感知的功能和自動駕駛技術(shù)與傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制組成。主要思想是使用汽車模型對線陣CCD道路信息的采集，通過AT89C51單片機(jī)收集信息，利用AT89C51單片機(jī)一定的算法，來控制模型車的運(yùn)動狀態(tài)。

從起始點(diǎn)到終點(diǎn)（如圖3），中間有三個標(biāo)志點(diǎn)（位置任意），每檢測到一個標(biāo)志點(diǎn)機(jī)器人停留5S再前進(jìn)。

7 結(jié)論

太陽能溫差發(fā)電智能循跡避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，利用了紅外線傳感器、超聲波傳感器，將AT89C51單片機(jī)、印制電路板、激光傳感器相結(jié)合，利用溫差發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。本實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)了如下功能：

（1）小車可以自動沿正確軌道行駛，在行駛過程中，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)計(jì)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)彎軌道的前進(jìn)功能。若有偏差，能夠自動糾正，返回到正確軌道上來。

（2）當(dāng)小車在前進(jìn)過程中遇到障礙物時(shí)，可以自動調(diào)整，繞過障礙區(qū)域，從安全區(qū)域通過。小車通過障礙區(qū)域后，能夠行駛到原來的軌道上，實(shí)現(xiàn)自動循跡。

（3）由于太陽能和冷源的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，從而可直接給小車提供電源，讓其運(yùn)動。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看循跡的效果比較好，避障的效果也很不錯，但本設(shè)計(jì)還有巨大的發(fā)揮空間，我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的允許下，肯定能進(jìn)一步的對本設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

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