采用独立光伏供电系统的智能导航小车.doc

【转载】序号：编码：参赛作品（作品情况与作品正文）作品名称：采用独立光伏供电系统的智能导航小车类别：□自然科学类学术论文□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文□科技发明制作A类科技发明制作B类B3．申报作品情况（科技发明制作）说明：1．必须由申报者本人填写；2．本部分中不允许出现作者的所有相关基本信息3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；2.填写此栏有助于评审。

采用独立光伏供电系统的智能导航小车摘要:在能源越来越短缺，环境污染日益严重的今天，太阳能作为一种“绿色能源”逐渐地受到人们的关注。

随着科学技术的发展，太阳能光电池已经应用到我们生活的诸多领域。

我们此次竞赛中选取的题目是“采用独立光伏供电系统的智能导航小车”，具有很大的挑战性、创新性，更重要的是它具有很高的实用价值。

我们设计的小车所需要的所有能源都是通过太阳能光电池来提供，对于智能导航避障功能的实现，则是利用红外线漫反射光电开关对障碍物进行检测，然后由单片机对相应程序的处理，进而控制小车实现左转、右转、停止和前进等功能。

另外，我们选用了超大扭矩的直流电机，提高小车的载重能力。

关键词：太阳能智能导航避障光电开关小车1 项目总体结构和简介1.1赛车基本结构简介本设计的采用独立光伏供电系统的智能导航小车总体结构分为三部分——电源模块、避障模块和驱动模块。

电源模块，利用太阳能光电池将太阳能转化为电能，为整部小车提供能源。

系统分开供电，主要分别为光电开关、单片机和直流电机供电，如下图所示：图1 小车能源分配图避障模块，在小车车体下左中右分别放置有一个红外线漫反射光电开关，光电开关是将光的强度变化转化为电信号的变化来实现控制的。

光电开关根据是否检测到障碍物而输出高低电平信号。

单片机芯片STC89C52为整个电路的控制中心，处理红外漫反射光电开关采集到的数据，然后控制直流电机的驱动电路。

直流电机在单片机相应程序的控制下，会实现左转、右转、前进等功能，从而达到避障的目的。

驱动模块，本设计的小车是采用前轮驱动，前轮左右两个轮子分别用一个直流电机来控制，而后面两个轮子采用万用轮，起到支撑的作用。

驱动电路在单片机的控制下，通过输出不同的占空比，从而来控制左右两个电机的转速，实现左转、右转等功能。

另外，我们选用了扭矩超大的直流电机，极大地提高了小车的载重能力。

1.2赛车实物的外观简介小车整体的宽为29厘米，长为63厘米，高为12厘米左右，如下图所示：图2 小车实物外观2 主要研究内容与采用的方法本设计的采用独立光伏供电系统的智能导航小车通过红外线漫反射光电开关对障碍物进行探测，然后将采集到的信号送到单片机相应的程序进行处理，单片机输出控制信号，控制小车前轮的转动和停止，实现避障的功能。

主要研究的内容有整个电路的功耗、光电开关的探测能力、小车的避障功能、小车的载重能力等四个方面的内容。

2.1电路的功耗问题太阳能电池板为整个电路提供能源，因此它的功率必须能够满足整个电路的功耗。

在实际的测量中，每个光电开关的功耗为1.8W左右，每个电机的功耗为8W左右，所以，整个电路的功耗为20W左右。

我们选用的太阳能电池板的标称功率为25W，但是实际测量中，在太阳光的照射下，太阳能电池板的功率为23W左右，并不能达到标称功率，但是，这种太阳能电池板的功率足以驱动整部小车工作。

2.2光电开关的探测能力2.2.1工作原理避障电路采用红外漫反射光电探测器对被探测物进行检测。

光电开关是将光的强度变化转化为电信号的变化来实现控制的。

光电开关是集发射头和接收头于一体的检测开关，它的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小来计数的，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能有效的截止和饱和达到探测是否有障碍物的目的。

当接收头接收到光线的时候，输出低电平，反之，则输出高电平。

单片机根据接收头电平的高低来做出相应的控制，实现小车避障的功能。

光电开关的工作原理图：图3 光电开关工作原理图2.2.2实物分析我们所选用的红外线漫反射光电开关的具体参数如下表所示：表1通过以上表格的参数可以看出，光电开关的工作电压范围为6~36V，范围比较宽，可以保证其工作过程比较稳定，提高了对障碍物检测的准确性和可靠性。

光电开关的最佳检测距离为50厘米，符合我们的要求。

当然，这个检测距离也可以根据实际情况来调节，我们通过多次实验发现，在比较理想的情况下，检测距离最远可达到120厘米。

不过，如果距离太远的话，光电开关的检测灵敏度明显下降了很多，而且受外界的干扰比较大。

另外，对于不同反射率的不透明物体，光电开关的检测距离和灵敏度也会有所不同。

总之，选择这种光电开关，一方面符合我们的要求，另外其性价比也比较高。

2.3小车的避障功能2.3.1实现避障功能分析智能小车行驶的过程中，在单片机的控制下，当检测到左中右都有障碍物的时候，规定小车向右转；当检测到左边有障碍物的时候，小车向右转；当检测到右边有障碍物的时候，小车向左转；当检测到左右两边没有障碍物，而中间有的时候，规定小车向左转。

当检测到左中右都没有障碍物，或者左右两边有障碍物，中间没有的时候，小车前进。

综合以上分析，小车的避障电路功能表为：（注：“0”表示有障碍物，“1”表示无障碍物。

）表22.3.2避障电路图（注：“Ｐ３”表示左边探测器，“Ｐ２”表示中间探测器，“Ｐ１”表示右边探测器）图4 避障电路图2.3.3传感器工作功能表：表32.3.4红外检测器工作的时候采用“时分复用”技术。

由于单片机输出接口的输出电压为4.98V，所以可以通过单片机的输出接口为左中右三个红外探测器供电。

单片机通过对相应程序的处理，可以分时来控制三个红外探测器的工作与否，保证在相同的时间间隔内有且只有其中一个探测器在工作，这样可以有效地避免探测器之间信号的相互干扰。

2.3.5为了使小车实现避障的功能，并且走“八字形”的路线，我们在场地适当的位置布置了导航物，场地布置图如图所示：（注：图中红色圆弧为所设置的导航物，上面设有黑白相间的条纹。

）图5 场地布置图2.4小车的载重能力2.4.1由于比赛要求小车要有一定的载重能力，所以对直流电机的要求比较高，我们选用了扭矩为20 KG•CM的直流电机。

为了使电机能够稳定工作，直流电机通过特定的驱动模块来驱动，因此不需要稳压电路，降低了电路的复杂性，易于实现。

2.4.2理论结算直流电机的扭矩为20KG•CM=2N•M小车轮子半径为0.043M即一个直流电机的驱动力为 2/0.043=46.51N所以m=46.51/10=4.651 KG即最大可承载4.651KG的重物。

2.4.3在实际的测量中，电机的最大可承载物重量为4千克左右，由于各方面的原因，虽然没有达到理论值，但是这种电机已经符合比赛的要求了。

3 实物测试结果与分析3.1太阳能电池板的测试我们根据实际情况，在不同的环境下测得了太阳能电池板的输出电压，如下表所示：表4在太阳光的照射下，我们测得太阳能电池板的输出电流大约为1.14A左右，也就是说太阳能的输出功率大约为23W，由于小车工作时的功耗为20W左右，所以太阳能电池足以去驱动整部小车正常工作。

3.2光电开关的测距我们所选用的红外漫反射光电开关的最佳测距为50厘米左右，在实际测试中，这种光电开关最远的测距大约为120厘米。

测距稍微远一点，能够给小车足够的空间和时间转向。

3.3直流电机的载重我们选用的直流电机的扭矩为20KG•CM，通过实际的测试，这种电机的最大载重为4千克左右，符合我们比赛的要求。

4 研究成果与创新之处4.1探测障碍物的器件采用红外漫反射光电开关。

光电开关具有比较强的抗干扰和噪声的能力，响应速度快，实用性强。

另外，对于红外漫反射光电开关，当其工作在5V的电压的时候，可以输出数字信号，直接将信号输入到单片机芯片，避免了复杂的模数转换电路，易于实现，同时提高了整个电路的工作效率。

4.2小车实现避障的方法有很多，比如激光导航、寻迹导航等，为了使小车能够既实现避障的功能，又能够实现走八字形的路线，我们在比赛场地的适当的位置布置了圆弧形的导航物，导航物上画有黑白相间的条纹，提高红外线漫反射光电开关的探测灵敏度。

4.3为了防止探测器之间信号的相互干扰，左中右三个光电开关在工作的时候采用“时分复用”的思想。

也就是说，在每一个相同的时间间隔内，光电开关在单片机的控制下，有且只有一个处于工作状态。

这样，能够有效地避免其中一个探测器发出的红外光，经障碍物反射之后被其他两个探测器接收到，而引起误判。

4.4整个系统分开供电，可以有效地避免各模块之间电信号的相互干扰，保证了各模块电路正常工作；另外一方面，当电路中的某个模块出现故障的时候，也可以有效地防止其他模块的电路受到损坏。

4.5由于比赛的胜负是根据小车最后的载重量来衡量的，所以要求小车要有比较好的载重能力，而影响小车载重能力的关键因素是直流电机的扭力，因此我们选用了扭力为20KG•CM的电机来驱动小车，通过理论的计算和实际测试，这种直流电机最大能够承载4千克左右的重物。

4.6直流电机通过特定的驱动模块来驱动，由于驱动模块允许的电压范围比较宽，所以即使太阳能光电池的输出电压会随着光照强度而很不稳定，但是并不需要复杂的稳压电路，可以由驱动模块智能地控制。

5 存在问题和改进方法5.1存在的问题5.1.1太阳能电池板太重。

由于我们所订购的太阳能电池板是已经封装好的成品，商家为了保护太阳能电池，在表面上封装了一层很厚的钢化玻璃。

这样，整部小车自身的重量将很大，严重地影响了小车运载重物的能力。

5.1.2我们设计的小车是采用前轮驱动，车体的左右两边各有一个车轮，这样设计的目的是为了使小车能够在单片机的控制下，实现转动的功能。

虽然直流电机是通过驱动模块来驱动的，但是由于各方面的原因，左右两个电机的性能参数不可能是一模一样的，总会在一定的程度上存在着差异，这样将严重地影响小车的直线行驶。

5.1.3我们在车体的前方只设置了三个红外漫反射光电开关，如果光电开关检测区域的角度太小，将会出现盲区，引起误判，或者无法避开障碍物。

5.2改进方法5.2.1对于太阳能电池板重量太重的问题，我们考虑过订购薄膜型的太阳能电池板，重量会大大地减少，但是价格太高；另外，我们也考虑过将上面的钢化玻璃给卸下来，但是担心弄坏了电路；最后我们用扭矩比较大的电机来驱动。

5.2.2硬件问题是个比较麻烦的问题，找到两个性能完全一样的直流电机是不现实的，我们只能尽量找性能最接近的，然后设法通过驱动电路来尽可能的消除它们之间的差异。