太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車的研究

張洪宇 葛宜元 王琪 魏天路 杜爽 周華劍 馬雪建 張晉嘉

摘 要：太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能型循跡避障小車以AT89C51單片機(jī)為控制中心，利用溫差發(fā)電，傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)外部環(huán)境、路徑等信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)方向控制；采用電荷耦合元件進(jìn)行識(shí)別位于白色地面中的任意黑色帶狀引線的路徑，使小車可以沿黑色導(dǎo)引線完成自動(dòng)行駛。主要對(duì)小車的結(jié)構(gòu)、工作原理、溫差發(fā)電、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電能；智能；循跡；避障

中圖分類號(hào)：S237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.006

Abstract： This product is a solar thermoelectric power generation intelligent obstacle avoidance car tracking， car to AT89C51 microcontroller as the control center， making use of the thermoelectric sensor， real-time sensing external environment， path and other information， to achieve automatic direction control， path by charge coupled device for identification in any black ribbon lead white in the ground. The car can automatically run along the black wire. In this paper， the temperature difference， power generation， hardware design， software design and test results of the car are analyzed.

Key words： thermoelectric generation； intelligent； tracking； obstacle avoidance.

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，機(jī)械智能化的要求也不斷提升，人們對(duì)生活中各個(gè)方面智能化操作的期望也日益增強(qiáng)。智能化不僅提高了工作效率，還能減少人身安全的危險(xiǎn)性。自1959年，英格伯格和德沃爾一起制造出第一臺(tái)工作機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人已經(jīng)在各個(gè)地區(qū)和領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，近幾年智能機(jī)器人的水平不斷提升，逐漸改變了人們的生活水平。近年來(lái)，智能尋跡避障小車的發(fā)展越來(lái)越吸引人們的眼球，國(guó)內(nèi)外也因此開展了一系列的競(jìng)賽活動(dòng)。

目前，在世界經(jīng)濟(jì)多元化活躍的大背景下，智能車研究和開發(fā)已經(jīng)是各個(gè)國(guó)家科技發(fā)展的重要部分。在二十世紀(jì)高新技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代，智能循跡小車成為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要分支。在生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境不斷改進(jìn)下，自動(dòng)化技術(shù)不斷提高的條件下，智能車得到了前所未有的發(fā)展，且已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域和地區(qū)，智能車及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)已日漸成熟[1]。然而，利用新型能源作為智能循跡小車的動(dòng)力來(lái)源是人們更需要的。

1 研究的意義及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1.1 研究的意義和目的

本設(shè)計(jì)基于微處理系統(tǒng)，并利用GPRS設(shè)置無(wú)線通訊模塊，以此實(shí)現(xiàn)控制小車的前進(jìn)、后退、停止、直角及圓弧轉(zhuǎn)彎。以AT89C51單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，并將光、電、無(wú)線通訊等技術(shù)融為一體，運(yùn)用檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、電子技術(shù)制作出一個(gè)太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡小車，小車具有利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力源，感知環(huán)境，自動(dòng)識(shí)別與規(guī)劃路徑的能力。

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器產(chǎn)生了，伴隨著智能車數(shù)量的不斷增加，移動(dòng)機(jī)器人越來(lái)越受到人們的關(guān)注，且人類的生活水平也得到了一個(gè)提升，關(guān)于汽車的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。國(guó)家也對(duì)科技創(chuàng)新給予鼓勵(lì)，每年都會(huì)舉行相應(yīng)的電子大賽，幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大[2]。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家便致力于智能小車的研究。在軍事方面，早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)防部就資助了自主陸地車輛ACV的研究。其中，我國(guó)吉林大學(xué)智能車輛研究組于2003年7月研發(fā)第一輛自動(dòng)駕駛汽車。一個(gè)擁有感知環(huán)境、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等功能的綜合系統(tǒng)，構(gòu)成了今天的智能車。它集中地運(yùn)用了傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動(dòng)控制等技術(shù)[3]。在2005年，日本愛(ài)知世博會(huì)上，豐田公司首次演示了ITMS無(wú)人公交系統(tǒng)。智能小車現(xiàn)今技術(shù)最高的當(dāng)是飛思卡爾舉行的比賽，采用先進(jìn)的攝像頭采集黑線線路，此時(shí)要求芯片的運(yùn)算速度是非常高的[4]。

我國(guó)于20世紀(jì)80年代研究智能車技術(shù)，大多數(shù)的研究只是處于單體技術(shù)的研究，相對(duì)其他發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起步很晚。雖然我國(guó)在智能車技術(shù)方面起步總體相對(duì)落后，存在一定的差距，但是通過(guò)不懈的努力，取得了一系列的成就。

2 車體的框架

太陽(yáng)能智能循跡避障小車由小車底盤、紅外線探測(cè)器、超聲波探測(cè)器。電源控制板、單片機(jī)、電源等主要部分組成（如圖1）。圖1a是利用PRO/E軟件將太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車制作成三維模型，是小車的整體框架構(gòu)造示意圖。圖1b是太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車的平面示意圖。

3 工作原理

3.1 智能循跡避障

由于太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車必須做到前進(jìn)、后退、停止和靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，我們選擇了采用后輪驅(qū)動(dòng)。后輪后面有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)調(diào)整后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂菩≤嚨膯?dòng)、停止和行駛速度，前輪起到支撐作用，將紅外線循跡傳感器裝在車體的前面，當(dāng)位于車身右邊的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，主控芯片控制右側(cè)車輪減速，車身向右修正，反之向左轉(zhuǎn)（如圖2）。

3.2 太陽(yáng)能溫差發(fā)電

太陽(yáng)能溫差發(fā)電，是指利用溫差熱電器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，利用新能源提供電能，不是傳統(tǒng)的化學(xué)能提供電能。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能聚光型集熱器、溫差發(fā)電反應(yīng)器和冷源三部分組成。溫差熱電轉(zhuǎn)換器是一個(gè)凸透鏡，系統(tǒng)原理是利用太陽(yáng)能聚光型集熱器對(duì)溫差發(fā)電反應(yīng)器的一面進(jìn)行加熱形成熱端，而溫差發(fā)電反應(yīng)器的另一面通過(guò)冷源自然散熱形成冷端，這樣兩端就形成了一定的溫差，由于太陽(yáng)能和冷源的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，從而可直接給小車提供電源，讓其運(yùn)動(dòng)[5]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 循跡傳感器部分

RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，硅平面光電三極管是一個(gè)高靈敏度的接收器[6]。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：通過(guò)塑料透鏡提高靈敏度；通過(guò)內(nèi)置可見光過(guò)濾器來(lái)減小離散光的影響、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。

當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光沒(méi)有反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出高電平。此光電探測(cè)器具有調(diào)理電路簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。同時(shí)，采集傳感器信號(hào)，智能分析外部環(huán)境、路徑信息、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向控制，采用電荷耦合元件進(jìn)行路徑識(shí)別，可以識(shí)別位于白色地面中的任意黑色帶狀引線，使小車可以沿黑色導(dǎo)引線完成自動(dòng)行駛。

4.2 避障傳感器部分

采用紅外線光電開關(guān)。由于紅外線指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播遠(yuǎn)，因而紅外線經(jīng)常應(yīng)用于距離的測(cè)量、障礙物的探測(cè)等。紅外線光電開關(guān)的重要作用是能夠處理光的強(qiáng)度變化，利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來(lái)反射物體，使光束發(fā)射經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離后瞬間返回[7]。紅外線接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，以測(cè)定障礙物的方位及距離，并向小車發(fā)送控制信號(hào)以使小車?yán)@過(guò)障礙物。

采用超聲波傳感器，超聲波傳感器探測(cè)障礙是利用超聲波發(fā)送模塊向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，在一定距離內(nèi)遇到測(cè)定的障礙物就會(huì)立即返回超聲波接受模塊，再由相關(guān)電路處理，以測(cè)定障礙物的方位和距離。

5 硬件設(shè)計(jì)

5.1 印制電路板

印制電路板是電子工業(yè)重要的元件之一。印制電路板是電子元件與所述電路板的各種電子元件連接到一起的重要組成部分，它是連接電子元件之間的載體[8]。印制電路板之所以應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，有以下幾個(gè)有點(diǎn)：

（1）高密度性：印制電路板是可以高密度集成的電路，在集成度技術(shù)和安裝方面都有了提升和長(zhǎng)進(jìn)[9]。

（2）高可靠性：經(jīng)過(guò)許多測(cè)試試驗(yàn)和老化試驗(yàn)，以確保印制電路板能夠有很長(zhǎng)的使用時(shí)間（壽命有限，一般為20年），并且在電路中能夠可靠的應(yīng)用[10]。

（3）可維護(hù)性：由于印制電路板是應(yīng)用量很大的部件，電路板在設(shè)計(jì)上就已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，部件的組裝已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)件。所以，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，即可快速、快捷地更換原來(lái)的系統(tǒng)和部件。

5.2 激光傳感器

激光傳感器也是重要的組成部分。如果激光傳感器開始工作，使激光二極管發(fā)射出激光脈沖，發(fā)射方向即車輛的行駛方向。由于黑色軌道的反射作用，使激光散射不同方向。部分散射光返回到傳感器的接收器，接收光學(xué)系統(tǒng)成像在雪崩二極管中[11]。雪崩光電二極管屬于光學(xué)傳感器的一種，在它的內(nèi)部還能夠完成變焦的工作，所以非常弱的光信號(hào)也可以被接收到并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)[12]。在智能車上應(yīng)用的激光傳感器是市場(chǎng)上常見的激光距離傳感器，由于發(fā)射激光脈沖和受到發(fā)射的激光脈沖有延遲時(shí)間，通過(guò)計(jì)算這個(gè)時(shí)間差就可以知道傳感器與所測(cè)目標(biāo)相距多少。因?yàn)榧す鈧鞲衅靼l(fā)射的激光光速非常快，所以一定要非常準(zhǔn)確地確定激光傳感器的發(fā)送時(shí)間[13]。

6 實(shí)驗(yàn)部分

6.1 太陽(yáng)能溫差發(fā)電部分

太陽(yáng)能溫差試驗(yàn)部分利用凸透鏡進(jìn)行聚光，經(jīng)過(guò)聚光后轉(zhuǎn)換成熱能后提高溫差發(fā)電器熱端的溫度，冷源部分的傳熱元件是扁平熱管，利用化學(xué)反應(yīng)散熱，增大溫差發(fā)電器冷源和熱端溫差，來(lái)提高裝置的輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換的效率。對(duì)基于凸透鏡與扁平熱管水冷散熱的聚光太陽(yáng)能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著冷卻水流量的增加，裝置輸出功率得到提高，當(dāng)冷卻水流量達(dá)到1 L/min后，輸出功率逐漸平緩，隨著溫差的增大裝置的最佳匹配負(fù)載也逐漸增加。在試驗(yàn)過(guò)程中，裝置的最大輸出功率為3.2 W，平均輸出功率為2.7 W，實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)出電量23.3 W·h，熱電轉(zhuǎn)換效率最大為5%，裝置最大效率4%。

6.2 智能循跡避障部分

太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車是由復(fù)雜集成傳感器的技術(shù)、環(huán)境感知的功能和自動(dòng)駕駛技術(shù)與傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制組成。主要思想是使用汽車模型對(duì)線陣CCD道路信息的采集，通過(guò)AT89C51單片機(jī)收集信息，利用AT89C51單片機(jī)一定的算法，來(lái)控制模型車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

從起始點(diǎn)到終點(diǎn)（如圖3），中間有三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)（位置任意），每檢測(cè)到一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)機(jī)器人停留5S再前進(jìn)。

7 結(jié)論

太陽(yáng)能溫差發(fā)電智能循跡避障小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，利用了紅外線傳感器、超聲波傳感器，將AT89C51單片機(jī)、印制電路板、激光傳感器相結(jié)合，利用溫差發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。本實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)了如下功能：

（1）小車可以自動(dòng)沿正確軌道行駛，在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)彎軌道的前進(jìn)功能。若有偏差，能夠自動(dòng)糾正，返回到正確軌道上來(lái)。

（2）當(dāng)小車在前進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整，繞過(guò)障礙區(qū)域，從安全區(qū)域通過(guò)。小車通過(guò)障礙區(qū)域后，能夠行駛到原來(lái)的軌道上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。

（3）由于太陽(yáng)能和冷源的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換，從而可直接給小車提供電源，讓其運(yùn)動(dòng)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看循跡的效果比較好，避障的效果也很不錯(cuò)，但本設(shè)計(jì)還有巨大的發(fā)揮空間，我相信如果實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的允許下，肯定能進(jìn)一步的對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉海波.國(guó)外機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展背景、模式、現(xiàn)狀分析及前景展望[J].機(jī)械與電子，1985，3（1）：30-35.

[2] 尤揚(yáng).基于模糊控制的新型循跡智能小車設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 袁亞?wèn)|.基于CCD的智能小車的研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 李曉強(qiáng).飛思卡爾智能車大賽賽道信息數(shù)據(jù)的采集[J].電子消費(fèi)，2015（3）：50-53.

[5] 潘賢徳.AMTEC熱力性能數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[6] 王國(guó)勝，陸明，常天慶.基于光電傳感器電路的迷宮機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11.

[7] 陳康.印刷電路板的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)研究[D].上海：華東政法大學(xué)，2015.

[8] 田民波.高密度封裝進(jìn)展之四——印制路線板制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].印制電路信息，2004（1）：4-11.

[9] 袁敏.印制電路板防護(hù)工藝熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[10] 黃穩(wěn)柱.基于光纖激光傳感器的聲發(fā)射檢測(cè)與定位技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

[11] 王自成.接近度、位移和位置傳感市場(chǎng)中的激光傳感器[J].電子產(chǎn)品世界，1995（5）：26-26.

[12] 莫太平，楊宏光，劉冬梅.面向多路線的智能循跡小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2014，29（4）：6-9.

[13] 陳夢(mèng)婷，胡白燕，黃璨.基于單片機(jī)的智能循跡避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能機(jī)器人，2016（2）：47-51.