太陽能智能車運動模型設計

天津冶金職業技術學院 電氣工程系，天津 300400

一、引言

現代社會中，監控設備應用廣泛。市場上有很多的監控設備，但都具有一定的局限性，一般為固定的、機械式的、不能移動的監控設備。要想實現不同區域不同位置的監控，就必須安裝多臺設備，如此一來，成本高昂、布置復雜、智能化程度低。

本文給出了一種可移動的太陽能智能車系統的設計，該系統以太陽能智能車為核心，可以通過搭載的監控模塊對周圍環境信息進行監控（如采集和監控氣體濃度，檢測溫度、濕度、有害粉塵等環境參數）。太陽能智能車在運行過程中可將傳感器采集到的數據和現場情況實時發送到上位機或手機中，還可通過上位機或手機遠程實時控制太陽能智能車的運行及機械手抓取物體。系統以太陽能作為輔助電能，大大增強了續航能力，還具有節能、低碳、環保等特點。

本文重點介紹了系統的運動模型并編制了軟件程序。太陽能智能車可代替人工進入人類不便進入或對人體有害的工作生活環境中,實施高頻率、高精度的監控工作,并可通過加載不同模塊進行其它功能的擴展，還可廣泛應用于居家安保防盜、養老院、物流車間、商場智能巡邏、遠程特種作業等領域，應用前景廣泛。

二、監控系統框圖

監控系統的整體框圖如圖1所示。監控系統以太陽能智能車為核心，主要由單片機控制模塊、傳感器模塊、太陽能電池板模塊、循跡模塊、手機WIFI控制模塊、測距、循跡、避障模塊、機械手控制模塊、顯示模塊等組成。監控系統利用太陽能電池板將光能轉化為電能，儲存在高性能蓄電池中，利用此電能作為系統的輔助電源，可大大增強其續航能力；傳感器負責采集相應信號交給單片機處理，處理結果可通過無線WIFI網絡傳送到上位機或手機；高清攝像頭采集到的作業環境情況可通過無線WIFI實時傳送到上位機或手機。監測系統在運行過程中可實現指定信息的監測以及避障、循跡、測距、報警、遠程控制機械手抓取監測物等功能。各功能模塊的功能如下：

單片機核心控制模塊：監測系統采用的處理器是基于ARMCortex-M3內核的32位STM32F103VET6單片機。單片機作為監控系統的控制核心，接收控制信號，處理采集的各種傳感器檢測信號，控制各個模塊統一協調工作。

傳感器模塊：可根據用戶需求選擇加載不同類型的傳感器，負責采集各路傳感器信息交給單片機處理；

高清攝像頭模塊：負責實時采集作業環境的視頻畫面，可通過手機或上位機實時視頻監控；

報警模塊：采集信息超出閾值，發出警報，將信息傳送到手機或上位機；

手機控制模塊：可通過無線WIFI與太陽能智能車通信，編制了手機的控制軟件，通過手機控制軟件可實時視頻監控作業環境情況，還可控制太陽能智能車的行進方向和模式，變換運行速度、控制機械手臂抓取監控物；

計算機控制模塊：太陽能智能車可通過無線WIFI與上位機通信，編制了上位機控制軟件，功能和手機控制端類似；

測距模塊：測距功能主要采用相應的算法通過前置的多對超聲波傳感器實現；

自動循跡模塊：監控系統的車體下方有一組循跡紅外線傳感器，主要作用是使系統可以沿著設定好的軌跡自動行駛；

避障模塊：采用了紅外避障傳感器實現，傳感器發出相應信號，當信號遇到障礙物時反射回來，被接收器收到，使監控系統能準確避障；

顯示模塊：LCD可顯示太陽能智能車距離障礙物的距離，并能顯示車體運行狀態；

電機驅動模塊：采用電機驅動芯片L298N控制車體電機的轉動。L298N為單塊集成電路，高電壓、大電流、四通道驅動，可直接對電機進行PWM控制，無須隔離電路。輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且帶有使能端，方便PWM調速，電路簡單，性能穩定，使用比較方便；

太陽能電池板：采用光伏技術，將光能轉化為電能，儲存在高性能蓄電池中，利用此電能作為監控系統輔助電源，大大增強系統的巡航能力。

三、監控系統的運動模型

監控系統的功能是由軟硬件共同決定的。在硬件確定之后，監控系統的智能化運行主要依靠軟件實現。通過軟件設計可將不同類型傳感器采集到的信號數據有效地處理，并通過主控芯片產生相應的動作，實現不同的功能。由于篇幅所限下面主要介紹監控系統應用的運動模型。

1、監控系統差速運動模型

監控系統的運動控制，采用了四個直流電機驅動輪控制的結構，其中前面兩個主要采用差速驅動方式，后面兩個作為從動輪，主要用作支撐平衡。車體的運動是以其滿足剛體運動特點和規律作為前提的，建立了如圖2所示的坐標系，其中（X,Y,O）為移動坐標系，（XW,YW, 0）為世界坐標系，PX為系統的前進方向。

監控系統運用移動機器人運動學的相關理論和方法對其運動方式進行控制，主要運用了正運動學和逆運動學的知識。其中正運動學用來解決系統運動軌跡的問題，也就是根據系統的運行速度來計算其運動軌跡。比如在二維空間系統的位姿坐標為（x,y），則可以利用兩個差動輪的速度（vr,vl）來計算其位姿，具體計算公式為：

其中，l—前兩驅動輪間的距離；

r—驅動輪半徑；

vr—右前輪速度；

vl—左前輪速度。

逆運動學主要用來確定運行速度，即在運動軌跡和位姿已知的情況下，怎么求兩輪差動速度（vr,vl）。在系統運行過程中直線和圓弧運動是最基本的，因此主要分析這兩種情況。

（1）直線運動

如圖3所示，如果左右兩輪運行速度一致，這里面包括大小和方向兩方面，則系統的運動軌跡很顯然是直線。

圖3中，當t=0時，兩坐標系（XW,YW,0）與（X0,Y0,P0）重合，經過時間t后，系統運動到（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）圓弧運動

如圖4所示，系統必須滿足一定條件其運動軌跡才能為圓弧。通過圖中軌跡可知，其條件可歸納為系統左右兩輪的速度差必須保持恒定不變，方向相同并且在運行過程中速度不能變化。因此，時間t=0時，圖4的兩坐標系重合，經過時間t后運動到（Xt,Yt,Pt）。如果左右兩輪的速度大小不一致，當右輪大于左輪時，運動軌跡在一、二象限，當右輪小于左輪時，運動軌跡在三、四象限。

當左右兩個輪子的方向、速度值保持不變且速度差恒定時，由前面的公式（3）有：

喬瞧也把藕挑起來了，不過，她挑起來的藕都是斷的。踩藕人見了，就說：“喬瞧你不要踩了，你踩出來的藕都斷了，賣不出好價錢。”

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）可更改為圓的標準方程：

2、運動控制參數的確定

假定擬合方程式為：

其中，a、b、c—未知數；

v—監控系統做直線運動的速度；

D—相應的占空比。

那么通過實驗，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，計算得出Δv=2.02cm/s，所以右輪的速度vr=12.02cm/s，進而根據式（14）可算出對應的驅動右輪的PWM占空比。

實際監控軌跡是不規則的，但是任何不規則的軌跡都可以用直線和圓弧的無限疊加來實現，不再贅述。

四、監控系統下位機主程序流程圖

本設計主要給出了下位機的設計流程，完成的主要功能有系統初始化、車體運行狀態的監測，包括檢測太陽能智能車在運行過程中是不是能沿著設計好的路線自動循跡行走，能不能自動避障，能不能根據采集的不同傳感器信號自主處理。下位機主流程圖如圖5所示。

流程描述：系統初始化設置，太陽能智能車體沿著設定好的軌跡自動循跡行走同時開始采集各路傳感器信號。如遇到障礙物，則通過避障傳感器使單片機相應位置位，自動進入避障處理中斷程序；車體在運行過程中根據采集的傳感器檢測信號分辨出是哪路信號，使單片機的相應位置位，自動進入傳感器中斷處理程序。以單片機為核心的控制系統可實時檢測系統的運行狀況并進行相應處理。

五、試驗結果

圖6 為太陽能智能車的實物圖。通過手機WIFI可控制太陽能智能車的所有運行情況，包括運動模式的選擇，是手動還是自動；基本的運行如前進、后退、左轉的、右轉。還可以利用手機控制控制車體的運行速度。通過實驗檢測可實現如下功能指標：

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

六、結論

本文給出了一種太陽能智能車系統的設計，該系統可通過搭載的監控模塊對周圍環境信息進行監控。系統可應用于室內外各種工作生活環境的監測，并可通過加載不同的模塊進行其它功能的擴展。系統在運行過程中可將采集到的數據和現場環境情況實時發送到上位機或手機中。系統以太陽能作為輔助電能，陽光充足是可實時充電，大大增強了續航能力，符合國家倡導的節能、低碳、環保的產業方向。給出了監控系統的運動模型，應用運動模型編制了軟件程序，給出了太陽能智能車的實物圖和手機端軟件界面，車體可通過無線WIFI和上位機或手機實時通連，結果表明監控系統具有較好的環境適應能力。