太陽能追光智能避障尋跡小車設計研究

倪笑宇，楊 碩，蔣 娜，李曉明

（河北建筑工程學院 機械工程學院，河北 張家口 075000）

1 智能車追光避障尋跡功能研究背景

近年來隨著我國光伏產業的發展，更多的設備加入到了光伏產業的大軍中去，對于太陽能汽車這塊尤其突出，太陽能汽車相對于傳統的汽車，其有著零排放、清潔、可持續發展等諸多優點，但目前市場上并沒有太多此類產品，主要是由于太陽能充電效率低所導致。本設計主要是對智能車追光避障尋跡功能進行研究，其次對小車的充電效率進行初步研究。利用智能小車來模擬真實的汽車，智能小車是一個集控制器、傳感器、動力輸出裝置于一身的智能控制系統，通過一個多角度的光照傳感器來采集周圍太陽光的數據，由單片機進行分析后輸出并且控制太陽板的方位，從而將太陽能的充電效率提升到最大化的程度。

2 結構組成

智能小車主要由電源部分、驅動部分、控制部分、信號采集部分以及太陽能充電5大部分組成，如圖1所示。電源部分由兩節18 650電池串聯提供；電機驅動部分使用一塊L293D電機驅動芯片來驅動小車的車輪進行轉動；控制部分由一塊STM32的32位單片機芯片來提供控制；信號采集部分包括光照傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器；太陽能充電部分由一塊小型太陽電池板對小車的電池進行充電。陽光充足時最大充電電壓為6 V，最大充電電流為120 mA。

圖1 系統總體結構

整個系統可分為3個子系統：（1）小車的追光充電系統，包括傳感器的數據采集以及太陽能板對鋰電池的充電部分。（2）小車的控制系統，包括小車的驅動部分以及追光和避障。（3）通信系統，小車可通過紅外接收和發射器進行通信以及控制小車的運動狀態。

3 電路設計

3.1 太陽能充電電路

通過一個太陽能板對電池組進行充電，由一個二極管做反充保護，同時并聯兩個大電阻對電壓進行采集，將采集到的電壓信號傳給單片機。

3.2 多方位光照傳感器電路

本電路共使用4個GY-30數字光強度檢測模塊，實現對前后左右4個方位光線的檢測，當光線照射到傳感器時，可直接數字輸出，省略復雜的計算，與單片機采用集成電路總線（Inter Integrated Circui，IIC）協議進行通信，單片機通過各個傳感器所傳回來的數值進行判斷后便可計算出光源的位置。

3.3 電機驅動電路

此設計采用直流電機驅動，驅動芯片使用L293D。采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）來改變電機輸出功率，即通過定時器改變周期內高低電平的占空比來改變輸出電壓，從而實現左右電機的轉速控制。

3.4 主控電路設計

主控制器采用STM32F103單片機作為控制芯片，STM32F103系列是以cortex-M3作為內核，是一個高性能、功能強大的處理器，一方面增強了對整個系統控制的穩定性和有效性，另一方面對智能車研發和性能升級給予保障。

4 軟件設計

軟件設計部分主要由下位機程序構成，主控制器采用STM32F103單片機作為控制芯片，通過Keil Vision 5平臺進行程序開發，并利用C語言編寫各功能模塊子函數，整個設計由主控程序將各子程序融合，實現了小車的前進、轉向和停止，并且能夠在傳感器檢測下實現簡單的循跡避障和太陽能追光充電功能。利用C語言程序來驅動單片機內部的中斷、定時器和多路PWM波輸出，程序主要有智能尋跡部分、太陽能追光部分、超聲波智能搖頭避障、紅外遙控等4大部分構成，主要通過外部電路低電平觸發的方式來進行程序之間的切換。

5 智能小車測試

經過硬件搭接與軟件編程，完成智能小車的原理樣機設計，如圖2—3所示，現對其性能進行測試。

圖2 智能小車前側

圖3 智能小車后側

循跡測試：通過對地面上鋪設一條黑線，黑線間距小于兩個紅外傳感器之間的距離，第一次測試結果，小車向左側偏離黑線通過調節對應的電位器來改變傳感器的靈敏度。第二次測試結果，小車循跡正常。

紅外避障測試：此部分測試是監測小車對障礙物的感知功能，通過在小車前面擺放障礙物，第一次測試結果發現小車在碰觸到障礙物之后才作出避障反應，通過縮減程序中的延遲時間使小車提前作出響應。第二次測試結果小車可以在障礙物前方3 cm左右作出反應，滿足避障要求。

太陽能追光測試：測試第一項，通過按鈕將小車運行程序調至太陽能追光模式，外加顯示器模塊觀測傳感器傳回數值是否正常，經測試傳感器傳回數值均正常。測試第二項，將傳感器接入控制系統，看系統閉環控制是否正常。小車開機后擺動幅度一直與太陽光方向出現明顯偏差，經過分析以后得出是傳感器數值與小車調整幅度之間出現了問題，通過減少車輪轉動時間來減少擺動幅度。經過多次調整后小車旋轉方向慢慢接近太陽光方向，最終達到實驗要求。

太陽能充電效率的測試：測試將以使用該系統為基礎的智能車在實際環境下的太陽能充電情況與無此系統的傳統太陽能充電方式做對比得出的測試結果如表1所示。

表1 充電效率對比

平均電流由多次測試的值取平均得出，經過測試得出在用此系統充電時，充電效率得到明顯提升。

6 結語

本文主要對智能小車控制系統進行分析研究，并且實地測試后，結果達到了預期效果，實現了追光避障智能小車的功能。但是小車的太陽能電池不足以提供系統工作需要的全部電能，后續可增加太陽能電池板接收光照的面積，利用收集和轉化的電能驅動小車，實現真正意義上的太陽能小車，具有很好的實際應用意義。

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