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r 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。作品全称采用独立光伏供电系统的智能导航小车作品分类（b ）a机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） b信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） c数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） d生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） e能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标（650字以内）一、作品设计的目的：面对能源短缺、环境污染等问题对人类生存构成的严重威胁，人们对能源提出新的要求，太阳能等“绿色能源”日受青睐。“采用独立光伏供电系统的智能导航小车”就是将太阳能应用到实际生活中去，它具有很高的参考价值和实用价值。二、作品设计的基本思路：我们设计的小车主要分为电源模块、避障模块和驱动模块三大部分来研究：电源模块通过太阳能光电池将太阳能转化成电能，为整部小车提供能源；对于避障功能的实现，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；驱动模块，我们选用了超大扭矩的直流电机，提高小车的载重能力。三、创新点：1.整辆小车所用的全部能量仅来自一块太阳能电池板，来源清洁、无污染，只要有一定强度的阳光就能行驶，甚至可以进一步改进成在阴天情况下都可以行使，非常符合未来社会的价值需求以及发展需要；2.小车解决了多个技术难题，实现了在有载重的情况下的稳定行驶，这对将来社会的运输行业有一定的参考价值；3.在小车的导航方法中融入了光电技术，并利用巧妙的方法提高了系统的可靠性与灵敏度；4.小车可以根据路况智能导航，而无需个人亲自操作，安全性高。四、技术关键和主要技术指标：1.如何把太阳能电池板输出的不稳定的电能转换为稳定的能源供给整个系统工作，如何保证光伏系统的输出功率与效率；2.如何提高小车所用光电器件探测的灵敏性与准确性，并能根据实际路况选择最优行驶方案；3.如何增强小车系统的稳定性，如何提高小车的速度与载重量作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）（450字以内）一、作品的科学性和先进性：红外技术已经广泛用于生活、军事等领域，我们设计的小车通过红外光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，单片机通过相应程序对信号进行处理，从而实现小车避障的功能。另外，小车采用太阳能光电池将太阳能转化为电能，直接提供能源，没有添加蓄电池等蓄电元件，这是对现有技术的一个突破。当然，没有蓄电元件会出现供电不稳定等问题，这就要求小车电路的设计要更加合理。二、参考文献：1康华光.电子技术基础数字部分（第五版）m.高等教育出版社. 20062王庆有.光电技术m.电子工业出版社.20073何立民.单片机高级教程m.北京航空航天出版社.20074杜开珍,黄迪明.c语言教程m. 科学出版社.1995作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果（350字以内，不超过5个）三位小组成员在该作品的研究、讨论、制作的过程中付出了大量心血，当然也用了不少的经费；在时间紧、经费不足的情况下之，不断尝试各种方案，又进行了多番改进，到最后克服了种种障碍，解决了多个技术难题，终于做出了可行的实物模型。该作品的方案通过了“第二届全国大学生光电设计大赛组委会”的初审（全国仅有55支队伍获得初审通过），并于“2010年8月7日”，参加了在吉林省“长春理工大学”举办的第二届全国大学生光电设计大赛“实物决赛”，最终虽未获任何奖项，但得到了众多参赛队伍的赞许与肯定。作品所处阶 段（a ）a实验室阶段 b。中试阶段 c生产阶段d （自填）技术转让方式作品可展示的形 式 r实物、产品 模型 图纸 磁盘 r现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测（450字以内）“采用独立光伏供电系统的智能导航小车”是利用太阳能来为整部小车提供能源，因此，只需要将小车放置在有阳光的地方，就可以正常地工作。我们设计的小车，在车体下放置有红外漫反射光电开关，可以对障碍物进行探测，然后通过单片机相应程序的处理，进而控制小车左转、右转、停止、前进等，实现智能避障的功能。小车的优势在于，不需要人工操控，就能够实现躲避障碍物。这种小车，一方面，它利用了“绿色能源”，不会对环境造成污染，符合当代人类“环保”的观念，而且，只要太阳存在，那么小车所需要的能源可以说是取之不竭，用之不尽的；另外一方面，小车利用红外漫反射光电开关和单片机来实现智能避障的功能，不需要人工来控制，很适合用在那些危险性比较高的搬运工作中。进入二十一世纪以后，由于人类对大自然的过分索取，现在“地球村”是千疮百孔，环境污染、能源短缺等问题威胁着人类的生存。人们迫切地希望市场上能够出现让人类和自然和谐共处的产品。本设计的小车，不会给环境带来任何负面的影响，具有很高的实用价值和参考价值，相信如果投入到市场的话，一定会受到很多消费者的青睐；另外，小车的制作成本也很低，能够带来更多的经济效益。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 r未提出专利申请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。（1000字以内）目前，汽车用的燃料仍然是汽油和柴油等，它们都是从石油中提炼出来的。然而，石油属于不可再生能源，据科学家预计，目前世界上已探明的石油储量将于2020年左右被采尽。另外一方面，燃烧石油，会产生氮氧化合物、二氧化硫等有害气体，污染人类赖以生存的环境。面对能源短缺、环境污染等严重问题，人类开始寻找“绿色能源”，于是太阳能成为了“新宠儿”。金焰四射的太阳，其表面是一片烈焰翻腾的火海，温度为6000左右。在太阳内部，温度高达两千万度以上。所以，太阳能够一刻不停地发出大量的光和热，是取之不尽、用之不竭的能源聚宝盆。将太阳光变成电能，是利用太阳能的一条重要途径。人们早在二十世纪50年代就制成了第一个光电池。将光电池装在汽车上，用它将太阳光不断地变成电能，使汽车开动起来。这种汽车就是新兴起的太阳能汽车。太阳能电池最常用的是硅太阳能电池。硅太阳能电池能把10%15%的太阳能转变成电能，是一种比较理想的电源，但是其光电转换效率较低。近年来，美国已研制成光电转换率达35%的高性能太阳能电池。澳大利亚用激光技术制成的太阳能电池，其光电转换率达24.2%，而且成本与柴油发电相当。这些都为光电池在汽车上的应用开辟了广阔的前景。早期的太阳能汽车是在墨西哥制成的。这种汽车，外形像一辆三轮摩托车，在车顶上架有一个装太阳能电池的大棚。在阳光照射下，太阳能电池供给汽车电能，使汽车的速度达到每小时40公里，由于这辆汽车每天所获得的电能只能行40分钟，所以它还不能跑远路。1984年9月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功，表明了我国在研制新型汽车方面已达到世界先进水平。现在世界上很多国家都在研制太阳能汽车，并进行交流和比赛。1987年11月，在澳大利亚举行了一次世界太阳能汽车拉力大赛。有7个国家的25辆太阳能汽车参加了比赛。赛程全长3200公里，几乎纵贯整个澳大利亚国土。在这次大赛中，美国“圣雷易莎”号太阳能赛车以44小时54分的成绩跑完全程，夺得了冠军。“圣雷易莎”号太阳能赛车，虽然使用的是普通的硅太阳能电池，但它的设计独特新颖，采用了像飞机一样的外形，可以利用行驶时机翼产生的升力来抵消车身的重量，而且安装了最新研制成功的超导磁性材料制成的电机，因此使这辆赛车在大赛中创造了时速100公里的最高纪录。太阳能汽车不仅节省能源，消除了燃料废气的污染，而且即使在高速行驶时噪音也很小。因此，太阳能汽车已引起人们的极大兴趣，并将在今后得到迅速的发展。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：光电开关stc89c52直流电机太阳能电池图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：型号e3f3-ds50n1输出方式npn三线常开外形npn三线常开工作电压直流6-36vdc以内检测距离50厘米（cm)输出电流300毫安(ma)检测物体不透明体外壳材料塑料abs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636v，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：避障电路功能表传感器避障电路输出待执行命令左中右左转信号右转信号000右转001右转010前进011右转100左转101左转110左转111前进（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：“”表示左边探测器，“”表示中间探测器，“”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：p25p26p27电机p1电机p2电机p3001工作不工作不工作010不工作工作不工作100不工作不工作工作表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 kgcm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20kgcm=2nm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：环境室内室外自然光自然光太阳光阴天电压（v）1.411.517202517.5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20kgcm，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20kgcm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。5.2.3对于光电开关的选择，我们选择了发散角比较适中的红外漫反射光电开关，以避免出现盲区，使小车能够顺利完成避障的功能。6 结论与展望我们设计的智能避障搬运小车综合了光学、电学、力学、机械等多方面的知识，是各分支学科理论知识在实际中的一次综合应用，同时也体现了我们的创新能力、动手能力等。小车是针对比赛环境来设计的，制作简单，成本低，性价比高，它的各种性能参数都将符合比赛的要求，能够顺利完成比赛的工作。古人有云“学以致用”，此次竞赛制作的“基于太阳能的光电导航搬运车”具有很高的实用价值。太阳能作为一种清洁能源，而且是“取之不竭，用之不尽”的，它已经越来越受瞩目，随着科学技术的发展，相信以后的能源将会是以太阳能为主导。太阳能应用于各种机动车辆已经成为一种趋势，将会有一个很好的发展前景。当然，我们设计的搬运车的各种性能参数是根据比赛的实际要求来设定的，并不能投入到实际的应用当中，但是相信如果对小车加以改进的话，将可以在实际生活中推广使用。7 参考文献1康华光.电子技术基础数字部分（第五版）m.北京：高等教育出版社，20062王庆有.光电技术m.北京：电子工业出版社，20073何立民.单片机高级教程m.北京：北京航空航天出版社，20074杜开珍,黄迪明.c语言教程m. 北京：科学出版社，19958 附录8.1单片机程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit sa=p05;/左、中、右传感器控制 sbit sb=p06;sbit sc=p07;sbit aa=p00;/左、中、右传感器数据输入 sbit bb=p01;sbit cc=p02;uchar zuo,zhong,you;/左、中、右数据的状态存储 sbit zuolun=p10; /p10控制左车轮sbit youlun=p11; /p11控制右车轮uchar zuoflag=0; /左转标志uchar youflag=0; /右转标志bit q,z,y;/小车向前、向左、向右的标志 同一时间只有一个为1uchar percent1,percent2;/控制两个轮的方波占空比 uchar time;/定义方波控制变量void pulse (void) interrupt 1 using 1/* t/c0中断服务程序 */th0= 0x