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

太陽能自驅(qū)式避障小車控制系統(tǒng)設(shè)計*

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

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，石油的需求量越來越大，而石油是不可再生資源，且存在環(huán)境污染等問題。太陽能無疑是理想的替代能源。設(shè)計了以太陽能作為動力的智能自驅(qū)式避障小車模型，以單片機作為核心控制系統(tǒng)，通過傳感器接收環(huán)境信號，進而控制步進電機轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)小車的自動行駛和轉(zhuǎn)向。模型中太陽能電池板具有自動轉(zhuǎn)向功能，保證能量的最大供給。為下一步行駛試驗提供理論支持。

太陽能；自驅(qū)；單片機；避障傳感器

0 前言

英國于1978年研制出了第一臺太陽能汽車，該汽車時速為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能車時速達到100公里。2003年在澳大利亞太陽能汽車比賽上，由荷蘭制造的太陽能汽車奪得冠軍，創(chuàng)造了時速170公里的新世界紀錄。我國清華大學(xué)在1996年研制出了“追日”號太陽能汽車時速達到了80公里。2001年上海交大研制出了首輛可載人的太陽能汽車“思源號”[1]。在智能汽車方面從20世紀70年代，美歐一些國家就開始進行無人駕駛汽車的研究。其中美國國防部舉辦的機器車挑戰(zhàn)大賽對智能汽車的發(fā)展做出了突出貢獻。我國由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦的“飛思卡爾”智能車競賽促進了我國對智能汽車的研究[2]。但是對于太陽能智能小車的研究還處于空白狀態(tài)。本文所研究的太陽能自驅(qū)式避障小車就是利用太陽能作為動力源，提供小車在行駛過程中的能量；采用51單片機控制導(dǎo)航單元、避障單元，實現(xiàn)小車按預(yù)定軌跡自主行駛，并在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)實時感知周圍環(huán)境、速度變換及其他控制指令等多種功能。

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

智能小車是機器人的一種形式，主要是通過電腦控制小車的運行從而實現(xiàn)無人駕駛，而智能小車的設(shè)計與開發(fā)要涉及控制、模式識別、傳感技術(shù)、汽車電子電氣、計算機、機械等多個學(xué)科。本文設(shè)計的太陽能自驅(qū)式避障小車結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。太陽能自驅(qū)式避障小車主要由單片機、太陽能電池板、蓄電池、轉(zhuǎn)向控制器、紅外傳感器等組成。通過單片機實現(xiàn)小車的啟停、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及速度變換功能。太陽能電池板具有對日定向功能，可實時根據(jù)太陽光強度調(diào)節(jié)角度，最大限度吸收太陽光對蓄電池進行充電，提供小車行駛的能量；小車通過紅外線傳感器接收周圍環(huán)境信號，并將信號反饋給單片機，進而控制轉(zhuǎn)向控制器實現(xiàn)避障功能，小車可以自動的繞過地面障礙物，即使在復(fù)雜的道路當(dāng)中，也可以判斷出最佳的路線。

圖1 太陽能自驅(qū)式避障小車結(jié)構(gòu)簡圖

2 太陽能自驅(qū)式避障小車控制單元設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由導(dǎo)航單元、避障單元、太陽能光伏電池及轉(zhuǎn)向單元等組成，各單元均由51單片機進行控制，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。該控制系統(tǒng)由51單片機控制這個太陽能自驅(qū)式避障小車的各個單元。各個單元將收集到的信號反饋給單片機，由單片機發(fā)出指令。例如避障單元，安裝在小車上的紅外線傳感器，向外發(fā)射一定頻率的紅外線，當(dāng)遇到障礙物的時候紅外線會被反射回來，這時會將信號傳遞給單片機，然后單片機會發(fā)出指令，讓小車向沒有障礙物的方向轉(zhuǎn)動。在太陽能電池板上的光強傳感器將周圍的光的強弱傳遞給單片機，由單片機控制太陽能電池板旋轉(zhuǎn)，使太陽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 太陽能自驅(qū)式避障小車控制系統(tǒng)原理圖

2.1 導(dǎo)航單元

太陽能自驅(qū)式避障小車的導(dǎo)航單元由GPS信號收發(fā)器及路線導(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)測站的觀測資料，計算各衛(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，通過地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測量定位時，用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛(wèi)星的粗略位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自身位置，由計算機選擇衛(wèi)星與用戶聯(lián)線之間張角較大的四顆衛(wèi)星作為觀測對象。觀測時，接收機利用碼發(fā)生器生成的信息與衛(wèi)星接收的信號進行相關(guān)處理，并根據(jù)導(dǎo)航電文的時間標和子幀計數(shù)測量用戶和衛(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)星的觀測值列出3個觀測方程式，即可解出接收機的位置，并轉(zhuǎn)換所需要的坐標系統(tǒng)，以達到定位目的[3]。在小車行駛前通過GPS信號收發(fā)器發(fā)送小車的所在位置及目的地的方位，然后通過控制系統(tǒng)來分析處理GPS信號接收器收到的反饋信號對小車進行定位及導(dǎo)航。通過GPS信號接收器還可以計算出用戶的位置、行駛方向以及運動速度方面的信息，然后通過車載LED屏幕顯示。

2.2 避障單元

太陽能自驅(qū)式避障小車避障功能利用紅外檢測實現(xiàn)。小車前方安裝三個紅外線收發(fā)管按一字形排列，發(fā)射部分采用555定時器產(chǎn)生一定頻率方波信號驅(qū)動紅外發(fā)射管，接收部分采用紅外一體化接收頭。通過發(fā)射的紅外線來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，單片機產(chǎn)生串行的數(shù)字信號，然后經(jīng)過特定的芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，從而進一步的控制電機轉(zhuǎn)速及小車的變向。未接近障礙物時，接收頭輸出保持高電頻；在距離臨近時，接收頭接收到反射回來的單一頻率的紅外信號后，輸出低電頻。但在一定距離范圍內(nèi)，接收信號有所不穩(wěn)定，所以采用電容電阻進行消振，除去干擾。同時采用二極管進一步減弱近光源干擾。紅外檢測占用的單片機資源更少，同時還可以使用PWM方式控制電機[4]。

2.3 太陽能光伏電池單元

為吸收并存儲更多的太陽能，提高太陽能的利用率，應(yīng)使電池板自動跟蹤尋找太陽光最強的方向，即應(yīng)具有自動轉(zhuǎn)向功能。本文設(shè)計一種能夠自動跟蹤太陽光照射角度的雙軸自動跟蹤系統(tǒng)以提高太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)化率。該系統(tǒng)是以凸輪機構(gòu)和蝸輪蝸桿機構(gòu)為核心，利用太陽軌道公式進行太陽高度角及方位角計算，并借助兩個步進電機同時工作來實現(xiàn)雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終垂直于太陽入射光線，從而提高太陽能的吸收效率。工作時，轉(zhuǎn)向機構(gòu)感知來自不同方向光輻射強弱的太陽光線，將信號傳給單片機，判斷陽光的方向，進而控制太陽能電池板轉(zhuǎn)動[5]。電池板轉(zhuǎn)向機構(gòu)如圖3所示。該機構(gòu)采用極軸追蹤的方法，具體就是利用光強傳感器，感受周邊的陽光強弱，將感受的光強信號反饋給單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和放大，單片機控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，凸輪轉(zhuǎn)動，調(diào)整太陽能電池板的對日角度，使太陽能電池板可以最大程度的提高光電轉(zhuǎn)化率。當(dāng)日落后，由于沒有陽光，此時單片機會控制太陽能電池板轉(zhuǎn)動到近似水平位置[6]。

圖3 太陽能電池板轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

當(dāng)太陽能自驅(qū)式避障小車啟動后，太陽能自驅(qū)式避障小車會在原地自動尋找最優(yōu)光照方向，當(dāng)確定光源的方向后，太陽能電池板會轉(zhuǎn)向太陽光最強的方向，太陽能電池板將會吸收太陽能進行充電，完成充電飽和狀態(tài)之后，太陽能自驅(qū)式避障小車會向著目的地行進[7]。

3 軟件設(shè)計

太陽能自驅(qū)式避障小車的軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)能否順利執(zhí)行各項指令的基礎(chǔ)。本文以單片機作為小車控制系統(tǒng)的核心，采用多傳感器進行信息采集，利用GPS信號收發(fā)器及路線導(dǎo)航設(shè)備制定導(dǎo)航路線；紅外避障傳感器設(shè)計避障單元；采用PWM技術(shù)控制小車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向。

小車存儲控制器采用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，把單片機從沒加電到加上電源，而自動產(chǎn)生的復(fù)位稱為冷復(fù)位；單片機在已經(jīng)通電的情況下，給它一個復(fù)位信號，稱為熱復(fù)位。冷復(fù)位會使單片機的特殊功能寄存器和數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容都改變；而熱復(fù)位只是特殊功能寄存器的內(nèi)容改變而單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容不變，采用PWM方式控制電機的方法控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向，使小車可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的功能。太陽能自驅(qū)式避障小車控制器原理如圖4所示。

圖4 太陽能自驅(qū)式避障小車控制器原理圖

太陽能自驅(qū)式避障小車避障流程如圖5所示。

開機后，首先小車在原地通過感應(yīng)傳感器檢測到信號自動完成尋光功能，確定光源方向后，單片機會發(fā)出指令，太陽能電池板會旋轉(zhuǎn)，盡可能的與陽光的入射方向呈直角，通過太陽能轉(zhuǎn)化機構(gòu)將吸收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在蓄電池當(dāng)中。如果小車行進過程中左側(cè)檢測障礙物時，障礙物臨近一定的危險范圍時，小車會通過接收傳感器反射回來的光波做出相應(yīng)的“活動”人性化的右轉(zhuǎn)避障繞過障礙物繼續(xù)前進。在行進的工程中為了使太陽能電池板能夠最有效的充電，如果左邊感應(yīng)傳感器檢測太陽光照信號比較強單片機會控制太陽能電池板向左旋轉(zhuǎn)，在充電過程中太陽能板通過對太陽能轉(zhuǎn)向機構(gòu)的調(diào)節(jié)始終智能化地在檢測充足光源完成充電并且保證行進方向的正確和太陽能板正對光源，如果在行進過程中右側(cè)傳感器檢測到障礙物信號，小車會通過“小車神經(jīng)”——單片機發(fā)出指令，相應(yīng)的單元就會執(zhí)行這個指令。同理可用相同的方法控制小車的右側(cè)避障左側(cè)尋光。當(dāng)小車到達目的地之后，太陽能電池板會持續(xù)吸收太陽能，將吸收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池當(dāng)中，直到蓄電池充滿電。

圖5 太陽能自驅(qū)式避障小車避障流程圖

4 結(jié)論

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

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

（3）小車的設(shè)計原理可以為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供理論支持。

［1］太陽能汽車國內(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MC9S12XS128的智能車設(shè)計［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報，2012（1）：82-84.

［3］關(guān)惠平.GPS相對定位原理GPS技術(shù)簡介［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2003，22（6）：60-64.

［4］魯慧.基于ATmega128單片機的運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

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

［6］劉鵬，陳海，毛伙南，等.太陽能發(fā)電陽光跟蹤器綜合性能分析［J］.機電工程技術(shù)，2013，42（5）：62-65.

［7］夏學(xué)凝，李麗娟，王智儒.一種基于AVR單片機的太陽能自動避障光電導(dǎo)航小車［J］.科技資訊，2011（1）：1.

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)機械裝備性能設(shè)計及檢測。

楊傳華，男，1970年生，山東魚臺人，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)練項目重點項目（編號：201310222009）；黑龍江省青年科學(xué)基金項目（編號：QC2011C073）；黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目（編號：1252G058）

2013－11－11