葛宜元，杨传华，温晓鑫，黄 达，付 镜，王伟东，周远航，蔚志超（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

太阳能自驱式避障小车控制系统设计*

葛宜元，杨传华，温晓鑫，黄 达，付 镜，王伟东，周远航，蔚志超
（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007）

随着经济的飞速发展，石油的需求量越来越大，而石油是不可再生资源，且存在环境污染等问题。太阳能无疑是理想的替代能源。设计了以太阳能作为动力的智能自驱式避障小车模型，以单片机作为核心控制系统，通过传感器接收环境信号，进而控制步进电机转向，实现小车的自动行驶和转向。模型中太阳能电池板具有自动转向功能，保证能量的最大供给。为下一步行驶试验提供理论支持。

太阳能；自驱；单片机；避障传感器

0 前言

英国于1978年研制出了第一台太阳能汽车，该汽车时速为13公里。1999年，巴西圣保罗大学的科研人员研制出的三轮太阳能车时速达到100公里。2003年在澳大利亚太阳能汽车比赛上，由荷兰制造的太阳能汽车夺得冠军，创造了时速170公里的新世界纪录。我国清华大学在1996年研制出了“追日”号太阳能汽车时速达到了80公里。2001年上海交大研制出了首辆可载人的太阳能汽车“思源号”[1]。在智能汽车方面从20世纪70年代，美欧一些国家就开始进行无人驾驶汽车的研究。其中美国国防部举办的机器车挑战大赛对智能汽车的发展做出了突出贡献。我国由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办的“飞思卡尔”智能车竞赛促进了我国对智能汽车的研究[2]。但是对于太阳能智能小车的研究还处于空白状态。本文所研究的太阳能自驱式避障小车就是利用太阳能作为动力源，提供小车在行驶过程中的能量；采用51单片机控制导航单元、避障单元，实现小车按预定轨迹自主行驶，并在一定范围内实现实时感知周围环境、速度变换及其他控制指令等多种功能。

1 太阳能自驱式避障小车控制系统结构及原理

智能小车是机器人的一种形式，主要是通过电脑控制小车的运行从而实现无人驾驶，而智能小车的设计与开发要涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子电气、计算机、机械等多个学科。本文设计的太阳能自驱式避障小车结构简图如图1所示。太阳能自驱式避障小车主要由单片机、太阳能电池板、蓄电池、转向控制器、红外传感器等组成。通过单片机实现小车的启停、前进、后退、左转、右转及速度变换功能。太阳能电池板具有对日定向功能，可实时根据太阳光强度调节角度，最大限度吸收太阳光对蓄电池进行充电，提供小车行驶的能量；小车通过红外线传感器接收周围环境信号，并将信号反馈给单片机，进而控制转向控制器实现避障功能，小车可以自动的绕过地面障碍物，即使在复杂的道路当中，也可以判断出最佳的路线。

图1 太阳能自驱式避障小车结构简图

2 太阳能自驱式避障小车控制单元设计

控制系统主要由导航单元、避障单元、太阳能光伏电池及转向单元等组成，各单元均由51单片机进行控制，控制系统原理如图2所示。该控制系统由51单片机控制这个太阳能自驱式避障小车的各个单元。各个单元将收集到的信号反馈给单片机，由单片机发出指令。例如避障单元，安装在小车上的红外线传感器，向外发射一定频率的红外线，当遇到障碍物的时候红外线会被反射回来，这时会将信号传递给单片机，然后单片机会发出指令，让小车向没有障碍物的方向转动。在太阳能电池板上的光强传感器将周围的光的强弱传递给单片机，由单片机控制太阳能电池板旋转，使太阳能电池板与光入射方向尽可能垂直，提高光电转化率。

图2 太阳能自驱式避障小车控制系统原理图

2.1 导航单元

太阳能自驱式避障小车的导航单元由GPS信号收发器及路线导航设备构成，其工作原理为由地面主控站收集各监测站的观测资料，计算各卫星的星历表及卫星钟改正数，按规定的格式编辑导航电文，通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息。测量定位时，用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置，由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。观测时，接收机利用码发生器生成的信息与卫星接收的信号进行相关处理，并根据导航电文的时间标和子帧计数测量用户和卫星之间的伪距。将修正后的伪距及输入的初始数据及四颗卫星的观测值列出3个观测方程式，即可解出接收机的位置，并转换所需要的坐标系统，以达到定位目的[3]。在小车行驶前通过GPS信号收发器发送小车的所在位置及目的地的方位，然后通过控制系统来分析处理GPS信号接收器收到的反馈信号对小车进行定位及导航。通过GPS信号接收器还可以计算出用户的位置、行驶方向以及运动速度方面的信息，然后通过车载LED屏幕显示。

2.2 避障单元

太阳能自驱式避障小车避障功能利用红外检测实现。小车前方安装三个红外线收发管按一字形排列，发射部分采用555定时器产生一定频率方波信号驱动红外发射管，接收部分采用红外一体化接收头。通过发射的红外线来判断前方是否有障碍物，若前方有障碍物，则将情况传递到单片机，单片机产生串行的数字信号，然后经过特定的芯片转换成数字信号，再经过D/A转换成模拟电压信号，从而进一步的控制电机转速及小车的变向。未接近障碍物时，接收头输出保持高电频；在距离临近时，接收头接收到反射回来的单一频率的红外信号后，输出低电频。但在一定距离范围内，接收信号有所不稳定，所以采用电容电阻进行消振，除去干扰。同时采用二极管进一步减弱近光源干扰。红外检测占用的单片机资源更少，同时还可以使用PWM方式控制电机[4]。

2.3 太阳能光伏电池单元

为吸收并存储更多的太阳能，提高太阳能的利用率，应使电池板自动跟踪寻找太阳光最强的方向，即应具有自动转向功能。本文设计一种能够自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统以提高太阳能电池的光-电转化率。该系统是以凸轮机构和蜗轮蜗杆机构为核心，利用太阳轨道公式进行太阳高度角及方位角计算，并借助两个步进电机同时工作来实现双轴跟踪系统，使太阳能电池板始终垂直于太阳入射光线，从而提高太阳能的吸收效率。工作时，转向机构感知来自不同方向光辐射强弱的太阳光线，将信号传给单片机，判断阳光的方向，进而控制太阳能电池板转动[5]。电池板转向机构如图3所示。该机构采用极轴追踪的方法，具体就是利用光强传感器，感受周边的阳光强弱，将感受的光强信号反馈给单片机，经过数据处理和放大，单片机控制转台转动，凸轮转动，调整太阳能电池板的对日角度，使太阳能电池板可以最大程度的提高光电转化率。当日落后，由于没有阳光，此时单片机会控制太阳能电池板转动到近似水平位置[6]。

图3 太阳能电池板转向机构简图

当太阳能自驱式避障小车启动后，太阳能自驱式避障小车会在原地自动寻找最优光照方向，当确定光源的方向后，太阳能电池板会转向太阳光最强的方向，太阳能电池板将会吸收太阳能进行充电，完成充电饱和状态之后，太阳能自驱式避障小车会向着目的地行进[7]。

3 软件设计

太阳能自驱式避障小车的软件设计是整个系统能否顺利执行各项指令的基础。本文以单片机作为小车控制系统的核心，采用多传感器进行信息采集，利用GPS信号收发器及路线导航设备制定导航路线；红外避障传感器设计避障单元；采用PWM技术控制小车转向机构的转向。

小车存储控制器采用S3C2440控制器，该控制器可以直接与电源相连，采用64位SDRAM的内存，具有复位电路，有冷复位和热复位之分，把单片机从没加电到加上电源，而自动产生的复位称为冷复位；单片机在已经通电的情况下，给它一个复位信号，称为热复位。冷复位会使单片机的特殊功能寄存器和数据存储器的内容都改变；而热复位只是特殊功能寄存器的内容改变而单片机的内部数据存储器的内容不变，采用PWM方式控制电机的方法控制转向轮的转向，使小车可以实现转弯的功能。太阳能自驱式避障小车控制器原理如图4所示。

图4 太阳能自驱式避障小车控制器原理图

太阳能自驱式避障小车避障流程如图5所示。

开机后，首先小车在原地通过感应传感器检测到信号自动完成寻光功能，确定光源方向后，单片机会发出指令，太阳能电池板会旋转，尽可能的与阳光的入射方向呈直角，通过太阳能转化机构将吸收到的太阳能转化为电能，存储在蓄电池当中。如果小车行进过程中左侧检测障碍物时，障碍物临近一定的危险范围时，小车会通过接收传感器反射回来的光波做出相应的“活动”人性化的右转避障绕过障碍物继续前进。在行进的工程中为了使太阳能电池板能够最有效的充电，如果左边感应传感器检测太阳光照信号比较强单片机会控制太阳能电池板向左旋转，在充电过程中太阳能板通过对太阳能转向机构的调节始终智能化地在检测充足光源完成充电并且保证行进方向的正确和太阳能板正对光源，如果在行进过程中右侧传感器检测到障碍物信号，小车会通过“小车神经”——单片机发出指令，相应的单元就会执行这个指令。同理可用相同的方法控制小车的右侧避障左侧寻光。当小车到达目的地之后，太阳能电池板会持续吸收太阳能，将吸收到的太阳能转化为电能存储在蓄电池当中，直到蓄电池充满电。

图5 太阳能自驱式避障小车避障流程图

4 结论

（1）太阳能自驱式避障小车采用太阳能作为能源对于节能减排具有重要意义；

（2）采用双轴自动跟踪系统自动跟踪太阳光照射角度，提高了太阳能电池的光-电转化率；

（3）小车的设计原理可以为同类产品的设计提供理论支持。

［1］太阳能汽车国内外发展历史［EB/OL］.http：//auto. 163.com/08/0507/18/4BC283JM000816IP.ht⁃ml.2008，5.

［2］李晨，宓超.基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的智能车设计［J］.上海海事大学学报，2012（1）：82-84.

［3］关惠平.GPS相对定位原理GPS技术简介［J］.兰州交通大学学报，2003，22（6）：60-64.

［4］鲁慧.基于ATmega128单片机的运动控制系统的设计与实现［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［5］李紫倩，梁飞，孙荣霞，等.太阳能电池按经纬和时间自跟踪控制器设计［J］.电子测量技术，2012，35（4）：6-10.

［6］刘鹏，陈海，毛伙南，等.太阳能发电阳光跟踪器综合性能分析［J］.机电工程技术，2013，42（5）：62-65.

［7］夏学凝，李丽娟，王智儒.一种基于AVR单片机的太阳能自动避障光电导航小车［J］.科技资讯，2011（1）：1.

Self-Propelled Avoidance Car Control System Design of Solar Energy

GE Yi-yuan，YANG Chuan-hua，WEN Xiao-xin，HUANG Da，FU 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，黑龙江勃利人，博士，讲师。研究领域：农业机械装备性能设计及检测。

杨传华，男，1970年生，山东鱼台人，博士，教授，硕士生导师。研究领域：智能化设施农业机械与设备研究。

(编辑：向 飞)

*2013年黑龙江省大学生创新创业训练项目重点项目（编号：201310222009）；黑龙江省青年科学基金项目（编号：QC2011C073）；黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（编号：1252G058）

2013－11－11