光电导航小车

1、第一章 前言11.1课题分析11.2系统设计21.2.1整个小车系统各个部分的框图21.2.2各模块功能2第二章电源32.1太阳能电池32.1.1工作原理32.1.2基本特性32.1.3电池组件及封装32.1.4电性能测试的一般规定32.1.5决定了光伏组件的输出功率的四个因素32.1.6组件电气性能的设计52.2供电模块62.2.1三端稳压电路简介62.2.2参数72.2.3稳压管实物及典型电路72.2.4 开关稳压集成电路简介72.2.5参数82.2.6 典型电路9第三章 导航和避障103.1摄像头103.2算法113.3图像处理11第四章 驱动电路134.1舵机简介134.2L29813

2、4.3硬件设计模型13第五章 主要器件清单15第一章 前言1.1课题分析我们队在这次光电竞赛中所选的题目是基于太阳能的光电导航搬运车，要求利用太阳能电池和光电导航技术在6分钟之内，绕过规定的障碍物，运送尽可能多的物体到指定地点。该题目的关键点在于太阳能电池的选择，以及稳定性好的、可靠性高的、易于实现的光电导航手段。关于太阳能电池的选择，应考虑的因素包括输出功率、电压、抗干扰能力以及和电源模块的耦合性等。其中，最重要的一个指标是输出功率。由于，每次搬运重物的数目没有限制，输出功率越高的电源自然能满足更好的小车速度和载重量的要求。目前，利用光电技术进行导航的手段主要有：激光雷达（LiDAR）导航、

3、机器视觉(Machine Vision)（计算机视觉）导航、红外(IR)导航、基于激光陀螺仪和加速度计的惯性导航(INS)和其它一些利用光电子器件进行导航的技术等。本系统采用机器视觉进行导航，理由如下：1. 随着人工智能(AI)和机器人技术的不断发展，模拟人眼视觉的机器视觉技术在工业、农业和医学等领域里有着非常广泛的应用和发展前景。2. 图像采集技术的发展和数字图像处理算法及速度的日臻完善，使得视觉定位具有实时性强、灵活度高、定位准、获得的信息量丰富等的特点。3. 我们导师领导的课题组有着多年的机器视觉方面的项目经验，资源丰富。1.2系统设计1.2.1整个小车系统各个部分的框图图像摄取模块信息

4、处理模块控制模块电源模块电机驱动模块速度、转向角度实时检测模块1.2.2各模块功能1 电源模块为其它各模块提供稳定的电源支持。2 图像摄取模块负责将光信号转换为电信号，为后续处理打下基础。3 速度、转向角度实时检测主要是为控制模块提供必要的信息支持。4 信息处理模块主要负责图像处理算法的实现。5 控制模块负责整个系统的控制。6 电机驱动模块实现小车的起动、停止、加速、转向等操作。第二章 电源2.1太阳能电池2.1.1工作原理太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流。若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区

5、和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。可以测得这个值，并称为开路电压。2.1.2基本特性短路电流：太阳电池的短路电流等于其光生电流。电池的总短路电流是全部光谱段贡献的总和。开路电压：当太阳电池处于开路状态时，对应光电流的大小产生电动势，这就是开路电压。2.1.3电池组件及封装单体太阳电池不能直接作电池使用。作电源用必须将若干单体电池串、并联连接并严密封装成组件。2.1.4电性能测试的一般规定标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱。地面阳光的总辐照度规定为1000 w/m2。标准测试温度规定为25C，对定标测试，标准测试温度的允

6、许差为+ 1C。对非定标准测试。标准测试温度允许差为+2C。如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，则必须将测量结果换算到标准测试条件。2.1.5决定了光伏组件的输出功率的四个因素负载电阻、太阳辐照度，电池温度和光伏电池的效率。对于一个给定的电池面积，电流与太阳辐照度成正比且几乎与温度无关，而电压（功率）随温度升高而下降。一般来说，晶体硅电池的电压降为0.5%/C。由此可以看到组件的温度对其功率的输出影响较大，所以阵列要安装在通风的地方，以保持凉爽。光伏阵列的任何部分不能被遮荫，它不像太阳能集热器，如果遮住了光伏组件必须有相同的电流。如果有几个电池被遮荫，则它们便不会产生电流且会成为反向

7、偏压，这就意味着被遮电池消耗功率发热，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮挡是不可避免的，所以需要用旁路二极管来起保护作用。如果所有的组件是并联的，就不需要旁路二极管，即如果要求阵列输出电压为12V，而每个组件的输出恰为12V，则不需要对每个组件加旁路二极管，如果要求24V阵列（或者更高），那么必须有2个（或者更多的）组件串联，这时就需要加上旁路二极管。组件组件组件组件+-DC24V图1 带旁路二极管的串联电池组件组件组件组件+-DC24V阻塞二极管图2 对于24V阵列阻塞二极管的接法任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护或失效的单元的方法。如果控制器没有这项

8、功能的话，就要用到阻塞二极管。如图2阻塞二极管既可在每一并联支路，又可在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联接成一个大系统，则应在每条支路上用阻塞二极管（如图2）以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在小系统中，在干路上用一个阻塞二极管就够了，不要两种都用，因为每个二极管会降压0.40.7V是一个12V系统的6%，这也是不小的一个比例。阻塞二极管：也称作为反充二极管或隔离二极管，其作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管

9、两端有一定的电压降，对硅二极管通常为0.60.8；肖特基或锗管0.3V左右。旁路二极管:为了保证系统的可靠运行，有些系统还在组件两端并联旁路二极管，其作用是在组件开路或遮荫时，提供电流通路，不致于使整串组件失效（见下图）。使用时要注意极性，旁路二极管的正极与太阳电池组件的负极相连，负极与组件的正极相连，不可接错。平时旁路二极管处于反向偏置状态，基本不消耗电能。显然，旁路二极管的耐压和允许通过正向电流应大于组件的工作电压及电流。2.1.6组件电气性能的设计在设计中主要是确定组件工作电压和功率这两个参数。同时还要根据目前材料、工艺水平和长寿命的要求，让组件面积比较合适，并让单体电池之间的连接可靠，

10、且组合损失较小。通过对单体太阳电池进行适当的串、并联，以满足不同的需要。电池串联时，两端电压为各单体电池中电压之和，电流等于各电池中最小的电流；并联时，总电流为各单体电池电流之和，电压取平均值。组件设计举列：用F40mm的单晶硅太阳电池（效率为8.5%）设计一工作电压为1.5伏，峰值功率为1.2瓦的组件。单晶硅电池的工作电压为：V=0.41v则串联电池数：Ns=1.5/0.41=3.66片 ，取Ns=4片单体电池面积：s=p/4d2=p42/4=12.57cm2 单体电池封装后功率：Pm=100mv/cm2 12.578.5%95%=100mw=0.1w式中95%是考虑封装时的失配损失需太阳电

11、池总的片数：N=1.2/0.1=12片太阳电池并联数：NP=N/Ns=12/4=3组故用12片F40mm的单晶硅太阳电池四串三并，即可满足要求。2.2供电模块该模块主要是对从光电池里得到的电信号进行滤波、稳压处理，并通过分压的方式为其它各模块提供所要求的电压。这里将着重介绍三端稳压电路和开关稳压集成电路，至于滤波和分压电路则需要根据实际情况来考虑。2.2.1三端稳压电路简介常见到的三端稳压集成电路7805、7812等。用 78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便 ，而且价格便宜。在实际应用中，三端集成稳压电路的输

12、入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压。三端稳压电路工作时发热较大，需在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。78系列作为线性电源可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。2.2.2

13、参数l 输出电流可达1A l 输出电压有：5V l 过热保护l 短路保护l 输出晶体管SOA保护2.2.3稳压管实物及典型电路2.2.4 开关稳压集成电路简介LM2575系列开关稳压集成电路1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器， 只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。作为开关电源其体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的2030%）、效率高（一般为6070%，而线性电源只有3040%）、自身抗干扰性强、输出电压范围

14、宽、模块化，消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。 防止高频噪声对负载的干扰。但由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。其结构中由于中间没有变压器和散热片，因而体积非常小。同时，开关电源内部都是电子元件，效率高、发热小。虽然具有电磁干扰等缺点，但现在的屏蔽技术已经非常到位。2.2.5参数LM2575T系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下：最大输出电流：1A；最大输入电压：LM1575/LM2575为45V；LM2575HV为63V；输出电压：3.3V、5V、12V、ADJ（可调）；振荡频率：

15、54kHz；最大稳压误差：4%；转换效率：75%88%（不同的电压输出的效率不同）；工作温度范围：LM1575为-55+150；LM2575/LM2575HV为-40+125。2.2.6 典型电路LM2575电路 LM2576 （adj）可调电路第三章 导航和避障导航，即控制系统按照外部环境的状况，自动对小车的行进路线进行合理的规划；而避障是指当外部环境中出现突然情况时，能对小车进行合理的操作（刹车，转向），以避免其损坏。在合理利用比赛规则的条件下，我们将导航和避障利用同一算法实现，以提高系统的实时性和稳定性。在导航和避障中主要涉及到三个方面的问题:摄像头的选择、算法的实现以及图像处理芯片的选

16、型。3.1摄像头为了节约成本，我们选择的摄像头是由深圳豪派科技有限公司生产一款GPS导航仪倒车后视监控摄像头改装而成，其主要参数如下:像素：30万（512*582）影像传感器：Color OV CMOS, 1/3 英寸 信号制式: PAL/NTSC可选像素: 628(H)*586(V)/510(H)*496(V)水平解析度：420 TV 线镜头：2.8mm, F2.0视场角:170 度 信噪比: 48db (AGC-OFF)低照度:1Lux/F1.2 (彩色自动转黑白,红外灯亮时0 Lux)防水等级:IP66视频输出:RCA 接口, 1.0Vp-p,75欧姆2.4G无线影音传输无障碍传输工作电

17、压:9 -12V DC工作温度:-40C - + 80C, RH95% Max其它:自动白平衡净重:80g3.2算法主要采用实时检测某一标的物的某一特征，如灰度、颜色、纹理、光流及形状等，当该特征的某一属性达到预定值的时候，控制小车的运行状态。3.3图像处理图像算法的处理最大难点在于其实时性，为保证质量，要求在极短的时间内(毫秒级)处理大量数据和复杂的运算判断。例如:一个512512个像素的图像，对每一个像素进行一次运算，整幅图像需要026M次运算。而最低层次的图像处理一般要求每秒1081010条指令的计算速率，即100一10000MIPS(每秒百万条指令)。本系统采用的图像处理模块是基于NI

18、公司的DM642的专用音频/视频开发板，其性能及资源如下：第四章 驱动电路本次光电小车驱动部分的设计要求主要是：（1）驱动普通的130直流电机；（2）电机驱动支持四种工作模式：正转、反转、惰走、制动；（3）控制信号：UART、SPI控制，标准的宽度0.52.5ms的PWM控制；（4）根据脉冲技术控制行车的距离；（5）可检测转动方向；（6）支持第二路反馈的脉冲信号，以实现转速跟踪。在这次小车设计中，我们准备用舵机来驱动前轮，后轮采用芯片L298驱动。4.1舵机简介舵机其实是一种伺服电机。它主要由直流电机、减速机构、电机驱动电路、位置检测器件、闭环控制电路组成，它还拥有方便的安装结构和灵活的力矩输出方式。基于上述组件结构，舵机适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，而且精度非常高。小型舵机的工作电压一般为4.8v或者6.4v，转速则为0.22/60度或0.18/60度。4.2L298本次采用电机芯片L298原因:L298可以用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流和步进马达和开关电源晶体管）。而且L298可直接的对电机进行控制，无须隔离电路，通过单片机的I/O输