徐紅運，徐小力，吳國新

（北京信息科技大學現(xiàn)代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

太陽能電池驅(qū)動的檢測小車設計

徐紅運，徐小力，吳國新

（北京信息科技大學現(xiàn)代測控教育部重點實驗室，北京 100192）

以檢測農(nóng)場墻體裂縫為背景設計并制作一輛以太陽能為能源驅(qū)動的檢測小車，用來對農(nóng)場墻體裂縫進行拍照處理，達到預防避免因墻體坍塌對農(nóng)場帶來損失的目的。利用WiFi機器人的原理，通過WiFi上位機傳達指令，控制下位機，使車體運動，獲得對象圖像，并對對象內(nèi)容進行分析處理。檢測小車可用來對裂縫在圖像中所占比例及面積進行處理，計算出在一定的范圍內(nèi)裂縫占整個界面的比例。

太陽能；驅(qū)動；檢測；控制；WiFi

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.28

0 引言

柴油和汽油這些不可再生能源總有一天是要被消耗完的，因此“綠色能源”成為各國爭相發(fā)展的主題。同時伴隨著人們對工作環(huán)境的要求以及自動化程度的提高，基于現(xiàn)實需求太陽能電池驅(qū)動的檢測小車應運而生，它彌補了動力采用汽油或柴油機，容易造成污染，不方便攜帶的不足，代替了傳統(tǒng)的人工檢測，解放了勞動生產(chǎn)力，也大大節(jié)省了資源。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)的農(nóng)場發(fā)展規(guī)模越來越大，因此所需要的墻體范圍也不斷加大。芳草湖總場坐落在古爾班通古特沙漠西南緣，南北長53 km，東西寬38 km，目前為中國最大的農(nóng)場。在這么大的范圍內(nèi)，如果單靠人去巡視墻體的完整損壞情況，會消耗很大的人力物力。但如果農(nóng)場減少這方面的投資，當某一部分墻體由于溫度等原因損壞嚴重，任由情況不斷惡化，那么當體型較大的動物（如牛）稍微沖撞一下，極有可能導致墻體坍塌，動物跑出，或者墻體向內(nèi)坍塌，造成部分動物死亡，都會給農(nóng)場帶來很大的損失，如果動物跑出，那么對生態(tài)環(huán)境也會造成一定危害。因此在設計小車時要考慮到保護環(huán)境，不浪費人力物力，降低成本等因素。

本文設計的小車是依托太陽能電池給電機驅(qū)動模塊提供電能驅(qū)動電機，進而實現(xiàn)檢測小車運動。通過WiFi信道的控制電機，實現(xiàn)小車運動，控制舵機，實現(xiàn)攝像頭的轉(zhuǎn)動，對想提取的內(nèi)容進行拍照處理。小車制作完成之后，從一處出發(fā)，在規(guī)定時間內(nèi)對墻體進行拍照，在處理圖像時，根據(jù)國家建筑物裂縫危險標準，對圖像中的裂縫進行處理，計算面積比例計算，與國家標準進行對比，若高于標準，則需要進行加固修繕處理。自定義標準：當裂縫面積比例＞0.005時，則判定不合格，需要對墻面修復處理。

1 太陽能小車總體設計

依托太陽能電池的采光、集電，儲存電能，提供給電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機，進而實現(xiàn)檢測小車運動。這一過程是由主機控制器控制實現(xiàn)的，圖1為太陽能電池驅(qū)動電機原理。設計過程中需要完成太陽能電池驅(qū)動的檢測小車的硬件部分。太陽能檢測小車應用太陽能電池板收集到的太陽能轉(zhuǎn)換成電能給其他工作系統(tǒng)來獲得電能，以單片機為控制中心，硬件包括太陽能電池板、蓄電池、電機、控制電路板、底盤部件。

圖1 太陽能電池驅(qū)動電機原理

1.1 太陽能小車硬件部分

（1）小車底盤和車輪。四輪驅(qū)動的小車適合在起伏不平的地面行使，這種平臺的頂板面積比較大，可以用來搭載小件物體。小車在運行過程中要比較穩(wěn)，其底盤不能太高，底盤上要放蓄電池，控制電路板，舵機和攝像頭等部件，體積不能太大，可以基本滿足在平地上實現(xiàn)功能。自帶波紋過濾的車輪可防止干擾單片機。

（2）驅(qū)動電機。為使小車可以正常檢測貨物前進，并根據(jù)小車所需速度需要配備電機驅(qū)動控制小車的行進速度。直流電機扭矩小，轉(zhuǎn)速高，用于機器人控制時，需增加相應的減速裝置來增加其力矩及降低轉(zhuǎn)度。具有代表性的機器人常用電機（帶減速裝置），其工作電壓為3～12 V（建議工作電壓為6～9 V），減速比為1∶48，有雙端出軸和單端出軸，性價比相對較高，非常適合用作智能車、微型機器人等的驅(qū)動部件。減速電機可以將電機與車輪直接相連，固定在地盤下面。用于攝像頭處的舵機在某一個角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，小型舵機的工作電壓一般為4.8 V或6 V，轉(zhuǎn)速一般在0.22 s/60°～0.13 s/60°，速度更快的可達到 0.09 s/60°。mg995 的轉(zhuǎn)動角度為180°，工作電壓為5 V，采用PPM角度控制原理。

（3）電機驅(qū)動器。驅(qū)動芯片L298電機驅(qū)動板支持標準的TTL邏輯電平信號VSS VSS可以連接到4.5～7 V電壓。L298N驅(qū)動直流電機時，引腳分別接輸入控制電平，達到控制電機順逆時針旋轉(zhuǎn)的目的，再連接接控制使能端，分別控制電機的使用和停止。Ardunio Uno板與L298板子疊放在一起采用PWM速度控制原理達到控制汽車電機的目的。攝像頭在舵機云臺的帶動下，都周圍的環(huán)境對象進行拍攝，拍照，提取圖像，傳輸回電腦控制端。

（4）太陽能電池板、控制器、蓄電池。太陽能電池板需要考慮到穩(wěn)壓、成本和靈敏性問題。單晶硅光伏電池作為能量來源，串聯(lián)達到所需電壓，并聯(lián)達到所需電流，最終電池板收集的電能可供小車驅(qū)動?？刂破魇菍⑻柲馨灏l(fā)出的電能存入蓄電池的一種設備。蓄電池要與控制器及太陽能板的功率相匹配。

（5）Arduino作為控制核心，WiFi控制攝像頭進行拍照，攝像，將結(jié)果存儲在計算機中，便于進行文件調(diào)用，進行分析處理。WiFi轉(zhuǎn)串口模塊可直接兼容Arduino Uno板。該模塊使用了HLK-RM04核心板，并增加了Arduino Uno板的引腳功能，可以直接插在Arduino Uno等多個型號的開發(fā)板上使用。

1.2 小車的控制原理

電腦控制端通過WiFi信道將指令傳遞給WiFi控制模塊，再由串口傳遞給電機驅(qū)動模塊，在控制電機。同時電機驅(qū)動模塊也可將信息反傳遞回WiFi控制模塊，再由WiFi信道傳遞給電腦控制端。電機控制原理圖如圖2所示。小車攝像頭將視頻圖片通過USB數(shù)據(jù)線傳遞個WiFi控制模塊，再通過WiFi信道傳遞給電腦控制端進行保存處理。WiFi小車視頻傳輸原理如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)軟件程序設計

在小車的控制系統(tǒng)中包括3部分，第一部分是下位機程序，是應用于電機驅(qū)動模塊的程序，主要是控制電機及舵機的動作程序，第二部分為上位機控制程序，主要是發(fā)送指令給下位機，第三部分為圖像處理程序，用來最終處理圖像，得出結(jié)論。3部分程序分別如下。

圖2 小車指令傳輸原理

圖3 WiFi小車視頻傳輸原理

2.1 驅(qū)動電機控制程序

驅(qū)動電機控制程序應用于在Arduino板子中，服從上位機的指令，驅(qū)動小車運動。用單片機L298，直接賦值各個引腳I/O口電平的高低來定義電機運動方向，創(chuàng)建兩個舵機，在Setup函數(shù)里設置各個引腳的輸入輸出屬性，并在For函數(shù)里設置閃燈的延遲，WiFi模塊啟動完畢。將串口波特率設置為9600 bps，定義兩個電機，Get-uartdata函數(shù)死循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)。Get-uartdata函數(shù)執(zhí)行操作判斷串口數(shù)據(jù)是否有數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包是否正確。對收到的數(shù)據(jù)包進行解析。最后判斷類型，具體動作。電機控制程序中包含有舵機控制程序，下位機支持云臺默認角度的校準，當系統(tǒng)啟動云臺轉(zhuǎn)動角度不正確時，可將正確角度記憶，下次啟動時則可確保轉(zhuǎn)動角度正確。同時，在采取圖象時，對圖像進行分析處理，可對可疑圖像拍攝角度進行記憶，方便找回可疑圖像拍攝角度。

2.2WiFi控制程序

WiFi控制程序稱為上位機，是發(fā)出指令端，通過上位機給下位機指令，完成交代的命令。 圖4為上位機的源代碼基本架構(gòu)，分別是視覺識別、視頻解碼和WiFirobot主要工程3部分。最主要的是WiFirobot源代碼程序列表（圖5）。

主要程序流程見圖6，程序主函數(shù)如下。

2.3 圖像處理程序

此次圖像處理是對檢測小車攝像頭拍到的照片進行簡單的分析處理，最后人為地對處理結(jié)果進行合理應用。在測試過程中，計算機對拍到的圖像進行黑白部分處理分析，即出現(xiàn)原圖像，二值圖，二值圖處理，計算出圖像面積，黑色區(qū)域面積，黑色區(qū)域比例，分析比對，得出結(jié)果。

3 小車的工作控制方式

3.1 小車控制方式

通過以上的設計，組裝，編程，整個小車工作方式見圖7。由計算機主機發(fā)出指令，通過WiFi信道發(fā)送出指令給驅(qū)動模塊上的單片機，進而驅(qū)動模塊驅(qū)動電機運動，小車可以完成像常用汽車一樣前進、后退和左右轉(zhuǎn)彎的功能。只需要控制改變小車車輪的旋轉(zhuǎn)速度及方向。再由WiFi模塊控制舵機云臺轉(zhuǎn)動，進而控制攝像頭得到視頻圖像。

圖4 源代碼基本架構(gòu)

圖5 WiFirobot源代碼程序架構(gòu)

圖6 主要程序流程

（1）當開啟小車電源時，在控制模式中選取WiFi控制方式，將計算機與小車通過WiFi連接在一起，則可通過在操作平臺界面給出指令使小車做出相應的運動。比如，當點擊舵機控制的滑動條時，舵機云臺進行相應角度的轉(zhuǎn)動。

（2）小車運動開始時，當左右兩個車輪的速度一樣時，左右車輪向前，小車前進。僅左輪轉(zhuǎn)動，右輪不轉(zhuǎn)或速度小于左輪速度時，小車向右轉(zhuǎn)。左右車輪反轉(zhuǎn)，小車后退。左輪向前轉(zhuǎn)，右輪向后轉(zhuǎn)，小車順時針旋轉(zhuǎn)。

圖7 小車工作控制方式

3.2 圖像分析處理

設置檢測小車在距離墻體2 m的地方對墻體拍照，所拍攝的面積大約為4 m2。根據(jù)國家建筑物標準規(guī)定。在高度為2 m的墻體中，裂縫長度不能高于500mm，墻中間部位產(chǎn)生≥4.5mm的裂縫時，則為危險墻體危險，則面積不能超過2250mm2。對應型號為A8050的攝像頭，根據(jù)換算，則當像素總個數(shù)超過72 000的時候，墻體有危險，需要加固修繕。當攝像頭拍攝到如圖8所示圖像時，即可以應用圖像分析系統(tǒng)對圖像進行分析處理。

圖8 原圖像

處理結(jié)果見圖9，圖9a中裂縫面積比例＜0.005，則不需要進行修復，但圖9b中裂縫面積比例為0.028 494 4，＞0.005，則需要恢復處理（面積以像素總個數(shù)為單位）。最后對所有圖片進行匯總處理，整理成報告，由農(nóng)場維修人員進行處理。

4 總結(jié)

根據(jù)需求利用機器人智能小車的設計方案設計一輛小型的太陽能檢測小車，完成一系列的運動指令，用來對農(nóng)場墻體裂縫進行拍照處理。依托太陽能電池提供電能給電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機，進而實現(xiàn)檢測小車運動。過程中需要完成太陽能電池驅(qū)動的檢測小車的硬件部分和程序部分，最終進行小車的裝配與程序調(diào)試。小車制作完成之后對墻體進行拍照，對圖像中的裂縫進行處理，計算面積比例，這對防止事故發(fā)生以及減少人力物力有重要意義。

圖9 處理后圖像

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〔編輯 凌 瑞〕