自动追日机器人的设计与实现

自动追日机器人的设计与实现

近年来，随着新能源产业的快速发展，如何科学有效地利用太阳能，克服太阳能的间歇性、光谱强度不均和方向强度，已成为全社会的热点。在农场以及工厂中，智能机器人代替人员值班，夜半巡逻，检查农场的安全情况，当有险情发生时，智能机器人会发出危险报警，以便固定摄像头采集，使犯案人员知难而退，起到威慑作用，对应用前景有着重大意义1系统组成1.1追日蓄电池充、放电模块系统由“追日”、充放电、移动部分构成。光伏电池板“追日”主要功能就是追逐阳光运动，模仿向日葵追日蓄电池充、放电模块，在将光伏电池所发的电存储到蓄电池中蓄电池充放电模块起着枢纽作用，能延长蓄电池的使用寿命，也能控制放电与否，保护负载和蓄电池。移动设备，显而易见，要想系统能移动，必须加转移动设备。系统在一定条件能自动移动。此外能够人为控制移动设备，使系统的应用性有更大的扩展。1.2机械结构连接方案设计跟踪系统结构需要跟踪板与支撑杆之间的连接具有多个方向的旋转自由度，即前面所述的垂直方向的直流电机与水平方向的舵机，二轴跟踪系统，两可动轴之间的运动彼此独立，只需从机械结构考虑跟踪板的旋转自由度。在伺服设备中，机械结构的设计和连接在很大程度上影响了整个系统的反应灵敏度与跟踪精度。机械结构能根据光强传感器的信号输出调整跟踪在对应方向上电机转动，这一部分的选材摒弃了传统的步进电机，由适合的直流电机代替。为了完成各方向轴的追日功能，在系统选用器件的过程中，在垂直方向采用了直流转动电机与蜗轮蜗杆自锁结构相结合的方式，在水平方向采用了模拟舵机方式。1.2.2．更广泛的应用系统在一定条件能需要移动。可以是人为控制移动设备。系统有了移动设备，就可以提高应用范围，使“追日”系统有更广泛的应用空间，增加整个系统的开发潜力。这里使用一个四驱履带式小车作底盘可适应于各种复杂的巡更环境1.2.3超声悬架和防土墙技术的应用在小车移动的同时使用超声波传感器和光电开关来实现小车的防碰撞和防止掉入深坑之中，自动路径搜索和基于超声波的避障设计可有效应对农场复杂地势，保证光伏电池板自动“追日”功能，系统稳定运行，保障整体设备的安全。小车搭载高精度超声波模块，防止撞到障碍物造成的损坏，这样设计更人性化，使整个系统工作更加稳定。基于超声波的避障设计，可避免因触碰障碍物造成的损失，提高了系统稳定性。2.1tad数字路径光强度检测模块使用的是数字式。GY-30使用ROHM原装BH1750FVI芯片，3-5V供电，0-65535lx光照度范围，内置16bitAD转换器直接数字输出GY-30光照强度传感器采用I2C总线接口，宽范围和高分解，低电流关机功能，任何外部零件都不需要，光源的依赖性不大。GY-30使用I2C总线接口，对光源的依赖性较低，单片机电源是5V，用5K电阻使输出管子导通时约有1mA电流，增强其驱动能力；ADDR是地址线，直接接地，表示地址为零；SCL是时钟信号线，接STM32的PB14的IO口，SDA是数据信号线，接STM32的PB15的IO口。2.2从驱动电路控制直流电机正回转回收点系统的执行部分驱动电路由两块构成，一是水平方向伺服电机（即舵机）；二是竖直方向直流电机所需的驱动电路。舵机内部有一个周期为20MS，宽度1.5MS基准电路，具备输出比较电路。控制信号与基准信号比较，判断出方向及大小。0.5～2.5MS为脉冲宽度，0～180度呈线性变化。提供舵机一定的脉宽，输出轴就会保持一个对应角度。如图1所示为竖直方向自锁直流电机所需的驱动电路。所需的驱动电路要能驱动直流电机正反转，即“H”桥电路设计，来达到使用较少的IO口资源控制直流电机的目的。利用“H”桥电路设计可在占用最小IO自选前提下实现直流电机控制。电路板控制信号来自处理器，通过处理器发出的控制信号控制电机正、反、快、慢转动，电机带动一系列减速齿轮组，减速后传动至输出轴。带动减速齿轮组减速后传动至输出轴实现竖直方向的上下运动，调整光伏电池与太阳光入射角度。3主框架的设计3.1接口电路设计3.1.1flash接口的电路设计由于系统代码量很大，为了有足够的存储空间来存储数据，系统在片外挂载了一个FLASH芯片M25P163.1.2上载3路端口STM32f103RBT6款处理器片上载有3路串口，这里引出1路串口。使用了PA11,PA12两个IO口，分别是数据发送端TXD和数据接收端RXD。3.1.3电流和电流系统ARM终端板载1路按键，用来测试之用电路中10K电阻用来限制电流，电流有几毫安即可。按键没有按下时，电流流入芯片引脚，按下按键时，电流流入GND，这时流入芯片引脚电流为零。3.1.4易于控制软件对于STM32来说有了JTAG后，程序的下载和调试都变得简单起来，应用开发起来更加容易。与此同时单步调试有利于开发者了解代码的执行过程。标准的JTAG接口是4线：TDI、TDO、TMS、TCK，分别为数据输入、数据输出线、模式选择和时钟。这里选用20脚的JTAG接口。3.1.5温湿度传感器接口电路STM32的IO口与DHT11温湿度传感器采用HT11传输数据用的是单线制串行接口，STM30与DHT11温湿度传感器之间是单线串行传输，其与MCU连接时只需要一个IO就可以实现数据读取。本系统使用P0＿7IO口与DHT11相连。3.2驱动电路工作原理小车的有四路电机，每路看似一个驱动电路，但是实际上是将左前、左后两路电机线连接成一起，共用一个驱动电路；右边也是一样，电路图如图2所示。小车的速度是由“H”桥驱动的，一个“H”桥由一路PWM和一路普通IO口控制。PWM主要作用是控制占空比，继而控制直流电机两端的电压，普通IO口控制“H”桥两端的正负电压，（即控制两端的电压时正电压还是负电压）进而控制电机正反转。3.3机器人的局部坐标系机器人利用自身携带的传感器识别未知环境中的特征标志，然后根据机器人与特征标志之间的相对位置和里程计的读数估计机器人和特征标志的全局坐标。而整个追日巡更机器人中小车是整个设计的点睛之处，有了可移动的小车底盘，就可以让系统随心所欲，作为机器人必须要有移动装置，这样的设计最大程度的增加了机器人的活动巡更范围。3.3.1基于超声波模块的障碍检测系统机器人行走避障是整个巡更机器人设计非常重要的环节，作为地盘小车一方面要足够平稳，能够支撑整个机器人的电池、图像采集设备以及顶端两片较大的太阳能光伏板，还要确保高效的检测出运行轨迹上的障碍，并快速做出反应，及时更换路线避开障碍物。第一版设计方案中采用超声波模块实现障碍物检测。这里选择HC-SR04超声波长安器3.3.2开关控制光电开关可将输入电流在发射器上转换为光信号射出4系统测试4.1光伏电池板转向玻璃方向“追日”测试。测试条件：阳光充裕，实验B楼405窗台。在窗台上运行系统后，光伏电池板自动转向玻璃方向，过程如图3。将电池板放在窗户旁边，会经过a电池板初始状态，也就是刚上电时状态；b电池板寻日状态，也就是电池板运动状态，c电池板稳定状态。经过测试，“追日”功能可以运行，能自动向阳运动，效果良好。4.2试验小鼠的一般情况测试条件：阳光充裕，实验B楼4楼走廊。如图4所示，小车测试主要测试小车在负重的情况下能否正常前进、后退、左转、右转。在光伏电池板、充放电控制器、蓄电池和系统相关部件都装到小车上，经过测试，小车在整体负重情况下有较快速度直行，能够灵敏的转弯，不反倒，运行状态良好。5充放电控制器系统以STM32为核心的自动控制系统，通过光照强度检测提高了系统的追踪精度和稳定性。系统实现了光伏电池板的自动“追日”，以STM32的处理方案。使用光强传感器作为传感器方案，提高了系统的精确度