天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，天津 300400

一、引言

現(xiàn)代社會(huì)中，監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用廣泛。市場(chǎng)上有很多的監(jiān)控設(shè)備，但都具有一定的局限性，一般為固定的、機(jī)械式的、不能移動(dòng)的監(jiān)控設(shè)備。要想實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同位置的監(jiān)控，就必須安裝多臺(tái)設(shè)備，如此一來(lái)，成本高昂、布置復(fù)雜、智能化程度低。

本文給出了一種可移動(dòng)的太陽(yáng)能智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以太陽(yáng)能智能車為核心，可以通過(guò)搭載的監(jiān)控模塊對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控（如采集和監(jiān)控氣體濃度，檢測(cè)溫度、濕度、有害粉塵等環(huán)境參數(shù)）。太陽(yáng)能智能車在運(yùn)行過(guò)程中可將傳感器采集到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)或手機(jī)中，還可通過(guò)上位機(jī)或手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制太陽(yáng)能智能車的運(yùn)行及機(jī)械手抓取物體。系統(tǒng)以太陽(yáng)能作為輔助電能，大大增強(qiáng)了續(xù)航能力，還具有節(jié)能、低碳、環(huán)保等特點(diǎn)。

本文重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型并編制了軟件程序。太陽(yáng)能智能車可代替人工進(jìn)入人類不便進(jìn)入或?qū)θ梭w有害的工作生活環(huán)境中,實(shí)施高頻率、高精度的監(jiān)控工作,并可通過(guò)加載不同模塊進(jìn)行其它功能的擴(kuò)展，還可廣泛應(yīng)用于居家安保防盜、養(yǎng)老院、物流車間、商場(chǎng)智能巡邏、遠(yuǎn)程特種作業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。

二、監(jiān)控系統(tǒng)框圖

監(jiān)控系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)以太陽(yáng)能智能車為核心，主要由單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊、太陽(yáng)能電池板模塊、循跡模塊、手機(jī)WIFI控制模塊、測(cè)距、循跡、避障模塊、機(jī)械手控制模塊、顯示模塊等組成。監(jiān)控系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在高性能蓄電池中，利用此電能作為系統(tǒng)的輔助電源，可大大增強(qiáng)其續(xù)航能力；傳感器負(fù)責(zé)采集相應(yīng)信號(hào)交給單片機(jī)處理，處理結(jié)果可通過(guò)無(wú)線WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)或手機(jī)；高清攝像頭采集到的作業(yè)環(huán)境情況可通過(guò)無(wú)線WIFI實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)或手機(jī)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)指定信息的監(jiān)測(cè)以及避障、循跡、測(cè)距、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制機(jī)械手抓取監(jiān)測(cè)物等功能。各功能模塊的功能如下：

單片機(jī)核心控制模塊：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的處理器是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103VET6單片機(jī)。單片機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心，接收控制信號(hào)，處理采集的各種傳感器檢測(cè)信號(hào)，控制各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。

傳感器模塊：可根據(jù)用戶需求選擇加載不同類型的傳感器，負(fù)責(zé)采集各路傳感器信息交給單片機(jī)處理；

高清攝像頭模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集作業(yè)環(huán)境的視頻畫面，可通過(guò)手機(jī)或上位機(jī)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控；

報(bào)警模塊：采集信息超出閾值，發(fā)出警報(bào)，將信息傳送到手機(jī)或上位機(jī)；

手機(jī)控制模塊：可通過(guò)無(wú)線WIFI與太陽(yáng)能智能車通信，編制了手機(jī)的控制軟件，通過(guò)手機(jī)控制軟件可實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控作業(yè)環(huán)境情況，還可控制太陽(yáng)能智能車的行進(jìn)方向和模式，變換運(yùn)行速度、控制機(jī)械手臂抓取監(jiān)控物；

計(jì)算機(jī)控制模塊：太陽(yáng)能智能車可通過(guò)無(wú)線WIFI與上位機(jī)通信，編制了上位機(jī)控制軟件，功能和手機(jī)控制端類似；

測(cè)距模塊：測(cè)距功能主要采用相應(yīng)的算法通過(guò)前置的多對(duì)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)；

自動(dòng)循跡模塊：監(jiān)控系統(tǒng)的車體下方有一組循跡紅外線傳感器，主要作用是使系統(tǒng)可以沿著設(shè)定好的軌跡自動(dòng)行駛；

避障模塊：采用了紅外避障傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，被接收器收到，使監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確避障；

顯示模塊：LCD可顯示太陽(yáng)能智能車距離障礙物的距離，并能顯示車體運(yùn)行狀態(tài)；

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N控制車體電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。L298N為單塊集成電路，高電壓、大電流、四通道驅(qū)動(dòng)，可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM控制，無(wú)須隔離電路。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用比較方便；

太陽(yáng)能電池板：采用光伏技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在高性能蓄電池中，利用此電能作為監(jiān)控系統(tǒng)輔助電源，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的巡航能力。

三、監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型

監(jiān)控系統(tǒng)的功能是由軟硬件共同決定的。在硬件確定之后，監(jiān)控系統(tǒng)的智能化運(yùn)行主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可將不同類型傳感器采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)有效地處理，并通過(guò)主控芯片產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于篇幅所限下面主要介紹監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)模型。

1、監(jiān)控系統(tǒng)差速運(yùn)動(dòng)模型

監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，采用了四個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪控制的結(jié)構(gòu)，其中前面兩個(gè)主要采用差速驅(qū)動(dòng)方式，后面兩個(gè)作為從動(dòng)輪，主要用作支撐平衡。車體的運(yùn)動(dòng)是以其滿足剛體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律作為前提的，建立了如圖2所示的坐標(biāo)系，其中（X,Y,O）為移動(dòng)坐標(biāo)系，（XW,YW, 0）為世界坐標(biāo)系，PX為系統(tǒng)的前進(jìn)方向。

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)理論和方法對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行控制，主要運(yùn)用了正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)。其中正運(yùn)動(dòng)學(xué)用來(lái)解決系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡的問(wèn)題，也就是根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行速度來(lái)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。比如在二維空間系統(tǒng)的位姿坐標(biāo)為（x,y），則可以利用兩個(gè)差動(dòng)輪的速度（vr,vl）來(lái)計(jì)算其位姿，具體計(jì)算公式為：

其中，l—前兩驅(qū)動(dòng)輪間的距離；

r—驅(qū)動(dòng)輪半徑；

vr—右前輪速度；

vl—左前輪速度。

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)主要用來(lái)確定運(yùn)行速度，即在運(yùn)動(dòng)軌跡和位姿已知的情況下，怎么求兩輪差動(dòng)速度（vr,vl）。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直線和圓弧運(yùn)動(dòng)是最基本的，因此主要分析這兩種情況。

（1）直線運(yùn)動(dòng)

如圖3所示，如果左右兩輪運(yùn)行速度一致，這里面包括大小和方向兩方面，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡很顯然是直線。

圖3中，當(dāng)t=0時(shí)，兩坐標(biāo)系（XW,YW,0）與（X0,Y0,P0）重合，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到（Xt,Yt,Pt）的位置，如果左右兩輪的速度一致，由公式（3）可得：

將其分別代入公式（1）、（2）得：

（2）圓弧運(yùn)動(dòng)

如圖4所示，系統(tǒng)必須滿足一定條件其運(yùn)動(dòng)軌跡才能為圓弧。通過(guò)圖中軌跡可知，其條件可歸納為系統(tǒng)左右兩輪的速度差必須保持恒定不變，方向相同并且在運(yùn)行過(guò)程中速度不能變化。因此，時(shí)間t=0時(shí)，圖4的兩坐標(biāo)系重合，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后運(yùn)動(dòng)到（Xt,Yt,Pt）。如果左右兩輪的速度大小不一致，當(dāng)右輪大于左輪時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡在一、二象限，當(dāng)右輪小于左輪時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡在三、四象限。

當(dāng)左右兩個(gè)輪子的方向、速度值保持不變且速度差恒定時(shí)，由前面的公式（3）有：

喬瞧也把藕挑起來(lái)了，不過(guò)，她挑起來(lái)的藕都是斷的。踩藕人見(jiàn)了，就說(shuō)：“喬瞧你不要踩了，你踩出來(lái)的藕都斷了，賣不出好價(jià)錢?！?/p>

求定積分得：

由公式（8）有：

由公式（9）有：

由公式 sin2α+cos2α=1，則有：

公式（12）可更改為圓的標(biāo)準(zhǔn)方程：

2、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的確定

假定擬合方程式為：

其中，a、b、c—未知數(shù)；

v—監(jiān)控系統(tǒng)做直線運(yùn)動(dòng)的速度；

D—相應(yīng)的占空比。

那么通過(guò)實(shí)驗(yàn)，選取三組（v,D）不同的值，則可以求得a、b、c的值。

以vl=10cm/s，l=9.17cm為例，計(jì)算得出Δv=2.02cm/s，所以右輪的速度vr=12.02cm/s，進(jìn)而根據(jù)式（14）可算出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)右輪的PWM占空比。

實(shí)際監(jiān)控軌跡是不規(guī)則的，但是任何不規(guī)則的軌跡都可以用直線和圓弧的無(wú)限疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

四、監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程圖

本設(shè)計(jì)主要給出了下位機(jī)的設(shè)計(jì)流程，完成的主要功能有系統(tǒng)初始化、車體運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，包括檢測(cè)太陽(yáng)能智能車在運(yùn)行過(guò)程中是不是能沿著設(shè)計(jì)好的路線自動(dòng)循跡行走，能不能自動(dòng)避障，能不能根據(jù)采集的不同傳感器信號(hào)自主處理。下位機(jī)主流程圖如圖5所示。

流程描述：系統(tǒng)初始化設(shè)置，太陽(yáng)能智能車體沿著設(shè)定好的軌跡自動(dòng)循跡行走同時(shí)開(kāi)始采集各路傳感器信號(hào)。如遇到障礙物，則通過(guò)避障傳感器使單片機(jī)相應(yīng)位置位，自動(dòng)進(jìn)入避障處理中斷程序；車體在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)采集的傳感器檢測(cè)信號(hào)分辨出是哪路信號(hào)，使單片機(jī)的相應(yīng)位置位，自動(dòng)進(jìn)入傳感器中斷處理程序。以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并進(jìn)行相應(yīng)處理。

五、試驗(yàn)結(jié)果

圖6 為太陽(yáng)能智能車的實(shí)物圖。通過(guò)手機(jī)WIFI可控制太陽(yáng)能智能車的所有運(yùn)行情況，包括運(yùn)動(dòng)模式的選擇，是手動(dòng)還是自動(dòng)；基本的運(yùn)行如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)的、右轉(zhuǎn)。還可以利用手機(jī)控制控制車體的運(yùn)行速度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)如下功能指標(biāo)：

通過(guò)手機(jī)控制可使系統(tǒng)沿著設(shè)置好的軌跡自動(dòng)或手動(dòng)循跡行駛；在行駛的過(guò)程中可以自主壁開(kāi)障礙物；超聲波傳感器可以測(cè)量前方物體3cm～80cm的距離；可自由控制機(jī)械手臂張開(kāi)、閉合、向上、向下，并能夾取物體，向上5cm，向下5cm；LCD可顯示太陽(yáng)能智能車距離障礙物的距離，并能顯示車體運(yùn)行狀態(tài)。編制了比較完善的手機(jī)WIFI控制界面，可以自由連通手機(jī)和太陽(yáng)能智能車，界面尺寸12cm×8cm。手機(jī)部分控制界面如圖7。

六、結(jié)論

本文給出了一種太陽(yáng)能智能車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可通過(guò)搭載的監(jiān)控模塊對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)可應(yīng)用于室內(nèi)外各種工作生活環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并可通過(guò)加載不同的模塊進(jìn)行其它功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可將采集到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)或手機(jī)中。系統(tǒng)以太陽(yáng)能作為輔助電能，陽(yáng)光充足是可實(shí)時(shí)充電，大大增強(qiáng)了續(xù)航能力，符合國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能、低碳、環(huán)保的產(chǎn)業(yè)方向。給出了監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模型編制了軟件程序，給出了太陽(yáng)能智能車的實(shí)物圖和手機(jī)端軟件界面，車體可通過(guò)無(wú)線WIFI和上位機(jī)或手機(jī)實(shí)時(shí)通連，結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。