太陽能智能車運動模型設(shè)計

天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，天津 300400

一、引言

現(xiàn)代社會中，監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用廣泛。市場上有很多的監(jiān)控設(shè)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(jiān)控設(shè)備。要想實現(xiàn)不同區(qū)域不同位置的監(jiān)控，就必須安裝多臺設(shè)備，如此一來，成本高昂、布置復(fù)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(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)以太陽能智能車為核心，可以通過搭載的監(jiān)控模塊對周圍環(huán)境信息進行監(jiān)控（如采集和監(jiān)控氣體濃度，檢測溫度、濕度、有害粉塵等環(huán)境參數(shù)）。太陽能智能車在運行過程中可將傳感器采集到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況實時發(fā)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(tǒng)以太陽能作為輔助電能，大大增強了續(xù)航能力，還具有節(jié)能、低碳、環(huán)保等特點。

本文重點介紹了系統(tǒng)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?qū)θ梭w有害的工作生活環(huán)境中,實施高頻率、高精度的監(jiān)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(yīng)用于居家安保防盜、養(yǎng)老院、物流車間、商場智能巡邏、遠程特種作業(yè)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。

二、監(jiān)控系統(tǒng)框圖

監(jiān)控系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)利用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，儲存在高性能蓄電池中，利用此電能作為系統(tǒng)的輔助電源，可大大增強其續(xù)航能力；傳感器負責(zé)采集相應(yīng)信號交給單片機處理，處理結(jié)果可通過無線WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機或手機；高清攝像頭采集到的作業(yè)環(huán)境情況可通過無線WIFI實時傳送到上位機或手機。監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中可實現(xiàn)指定信息的監(jiān)測以及避障、循跡、測距、報警、遠程控制機械手抓取監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)采用的處理器是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103VET6單片機。單片機作為監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。

傳感器模塊：可根據(jù)用戶需求選擇加載不同類型的傳感器，負責(zé)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(zé)實時采集作業(yè)環(huán)境的視頻畫面，可通過手機或上位機實時視頻監(jiān)控；

報警模塊：采集信息超出閾值，發(fā)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(jiān)控作業(yè)環(huán)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(jiān)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(yīng)的算法通過前置的多對超聲波傳感器實現(xiàn)；

自動循跡模塊：監(jiān)控系統(tǒng)的車體下方有一組循跡紅外線傳感器，主要作用是使系統(tǒng)可以沿著設(shè)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(xiàn)，傳感器發(fā)出相應(yīng)信號，當信號遇到障礙物時反射回來，被接收器收到，使監(jiān)控系統(tǒng)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(tài)；

電機驅(qū)動模塊：采用電機驅(qū)動芯片L298N控制車體電機的轉(zhuǎn)動。L298N為單塊集成電路，高電壓、大電流、四通道驅(qū)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(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便；

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

三、監(jiān)控系統(tǒng)的運動模型

監(jiān)控系統(tǒng)的功能是由軟硬件共同決定的。在硬件確定之后，監(jiān)控系統(tǒng)的智能化運行主要依靠軟件實現(xiàn)。通過軟件設(shè)計可將不同類型傳感器采集到的信號數(shù)據(jù)有效地處理，并通過主控芯片產(chǎn)生相應(yīng)的動作，實現(xiàn)不同的功能。由于篇幅所限下面主要介紹監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的運動模型。

1、監(jiān)控系統(tǒng)差速運動模型

監(jiān)控系統(tǒng)的運動控制，采用了四個直流電機驅(qū)動輪控制的結(jié)構(gòu)，其中前面兩個主要采用差速驅(qū)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(guī)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(tǒng)的前進方向。

監(jiān)控系統(tǒng)運用移動機器人運動學(xué)的相關(guān)理論和方法對其運動方式進行控制，主要運用了正運動學(xué)和逆運動學(xué)的知識。其中正運動學(xué)用來解決系統(tǒng)運動軌跡的問題，也就是根據(jù)系統(tǒng)的運行速度來計算其運動軌跡。比如在二維空間系統(tǒng)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(qū)動輪間的距離；

r—驅(qū)動輪半徑；

vr—右前輪速度；

vl—左前輪速度。

逆運動學(xué)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過時間t后，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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?！?/p>

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(shù)的確定

假定擬合方程式為：

其中，a、b、c—未知數(shù)；

v—監(jiān)控系統(tǒng)做直線運動的速度；

D—相應(yīng)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(jù)式（14）可算出對應(yīng)的驅(qū)動右輪的PWM占空比。

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

四、監(jiān)控系統(tǒng)下位機主程序流程圖

本設(shè)計主要給出了下位機的設(shè)計流程，完成的主要功能有系統(tǒng)初始化、車體運行狀態(tài)的監(jiān)測，包括檢測太陽能智能車在運行過程中是不是能沿著設(shè)計好的路線自動循跡行走，能不能自動避障，能不能根據(jù)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(tǒng)初始化設(shè)置，太陽能智能車體沿著設(shè)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(yīng)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(jù)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(yīng)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(tǒng)可實時檢測系統(tǒng)的運行狀況并進行相應(yīng)處理。

五、試驗結(jié)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(zhuǎn)的、右轉(zhuǎn)。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(xiàn)如下功能指標：

通過手機控制可使系統(tǒng)沿著設(shè)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(tài)。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(jié)論

本文給出了一種太陽能智能車系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)可通過搭載的監(jiān)控模塊對周圍環(huán)境信息進行監(jiān)控。系統(tǒng)可應(yīng)用于室內(nèi)外各種工作生活環(huán)境的監(jiān)測，并可通過加載不同的模塊進行其它功能的擴展。系統(tǒng)在運行過程中可將采集到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場環(huán)境情況實時發(fā)送到上位機或手機中。系統(tǒng)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(xù)航能力，符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能、低碳、環(huán)保的產(chǎn)業(yè)方向。給出了監(jiān)控系統(tǒng)的運動模型，應(yīng)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(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。