可自動追日太陽能巡更機器人設(shè)計

高 翔 孟凡晴 郭恒川

（洛陽理工學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

近年來伴隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，如何更科學(xué)有效的利用太陽能，克服太陽能本身存在的間歇性、光照強度不均衡與方向性強等問題已經(jīng)成為全社會的熱點[1]。這里提出了一個完整的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一款能夠自動“追日”的機器人。根據(jù)實驗該裝置在相同條件下可有效提高發(fā)電效率近35%。系統(tǒng)以STM32 為處理器的太陽能自動追蹤系統(tǒng)，為了更充分的利用太陽能、提高太陽能的利用率，光伏電池板隨著太陽光照射方向的變化而變化，始終與太陽光線垂直，且進行合理性的蓄電池充、放電，并安裝移動設(shè)備，系統(tǒng)在一定條件下可移動。

在農(nóng)場以及工廠中，智能機器人代替人員值班，夜半巡邏，檢查農(nóng)場的安全情況，當(dāng)有險情發(fā)生時，智能機器人會發(fā)出危險報警，以便固定攝像頭采集，使犯案人員知難而退，起到威懾作用，對應(yīng)用前景有著重大意義[2]。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由“追日”、充放電、移動部分構(gòu)成。

光伏電池板“追日”主要功能就是追逐陽光運動，模仿向日葵追日[4]，太陽運動，光伏電池板隨之運動，光伏電池板并實時與太陽光保持入射角（垂直狀態(tài)）90 度，保證此時發(fā)電效率最大。

蓄電池充、放電模塊，在將光伏電池所發(fā)的電存儲到蓄電池中蓄電池充放電模塊起著樞紐作用，能延長蓄電池的使用壽命，也能控制放電與否，保護負載和蓄電池。

移動設(shè)備，顯而易見，要想系統(tǒng)能移動，必須加轉(zhuǎn)移動設(shè)備。系統(tǒng)在一定條件能自動移動。此外能夠人為控制移動設(shè)備，使系統(tǒng)的應(yīng)用性有更大的擴展。

1.2 移動裝置設(shè)計

1.2.1“追日”機械軸。跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要跟蹤板與支撐桿之間的連接具有多個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，即前面所述的垂直方向的直流電機與水平方向的舵機，二軸跟蹤系統(tǒng)，兩可動軸之間的運動彼此獨立，只需從機械結(jié)構(gòu)考慮跟蹤板的旋轉(zhuǎn)自由度。

在伺服設(shè)備中，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和連接在很大程度上影響了整個系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度與跟蹤精度。機械結(jié)構(gòu)能根據(jù)光強傳感器的信號輸出調(diào)整跟蹤在對應(yīng)方向上電機轉(zhuǎn)動，這一部分的選材摒棄了傳統(tǒng)的步進電機，由適合的直流電機代替。為了完成各方向軸的追日功能，在系統(tǒng)選用器件的過程中，在垂直方向采用了直流轉(zhuǎn)動電機與蝸輪蝸桿自鎖結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，在水平方向采用了模擬舵機方式。

1.2.2 底盤設(shè)計。系統(tǒng)在一定條件能需要移動?？梢允侨藶榭刂埔苿釉O(shè)備。系統(tǒng)有了移動設(shè)備，就可以提高應(yīng)用范圍，使“追日”系統(tǒng)有更廣泛的應(yīng)用空間，增加整個系統(tǒng)的開發(fā)潛力。這里使用一個四驅(qū)履帶式小車作底盤可適應(yīng)于各種復(fù)雜的巡更環(huán)境[6]。

1.2.3 自動避障。在小車移動的同時使用超聲波傳感器和光電開關(guān)來實現(xiàn)小車的防碰撞和防止掉入深坑之中，自動路徑搜索和基于超聲波的避障設(shè)計可有效應(yīng)對農(nóng)場復(fù)雜地勢，保證光伏電池板自動“追日”功能，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保障整體設(shè)備的安全。

小車搭載高精度超聲波模塊，防止撞到障礙物造成的損壞，這樣設(shè)計更人性化，使整個系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定?；诔暡ǖ谋苷显O(shè)計，可避免因觸碰障礙物造成的損失，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2“追日”功能實現(xiàn)

2.1 追日方案

光強度檢測模塊使用的是數(shù)字式。GY-30 使用ROHM 原裝BH1750FVI 芯片，3-5V 供電，0-65535 lx 光照度范圍，內(nèi)置16bitAD 轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出[3]，（省略復(fù)雜的計算，省略標(biāo)定，環(huán)境光源不區(qū)分，靈敏度接近于視覺的分光特性可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度，測定標(biāo)準NXP IIC 通信協(xié)議模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換）可有效降低運算復(fù)雜度，無需標(biāo)定，且光照靈敏度接近于視覺的分光特性，精度極高。

GY-30 光照強度傳感器采用I2C 總線接口，寬范圍和高分解，低電流關(guān)機功能，任何外部零件都不需要，光源的依賴性不大。GY-30 使用I2C 總線接口，對光源的依賴性較低，單片機電源是5V，用5K 電阻使輸出管子導(dǎo)通時約有1mA 電流，增強其驅(qū)動能力；ADDR 是地址線，直接接地，表示地址為零；SCL 是時鐘信號線，接STM32 的PB14 的IO 口，SDA 是數(shù)據(jù)信號線，接STM32 的PB15 的IO 口。

2.2 伺服電機設(shè)計

系統(tǒng)的執(zhí)行部分驅(qū)動電路由兩塊構(gòu)成，一是水平方向伺服電機（即舵機）；二是豎直方向直流電機所需的驅(qū)動電路。

舵機內(nèi)部有一個周期為20MS，寬度1.5MS 基準電路，具備輸出比較電路?？刂菩盘柵c基準信號比較，判斷出方向及大小。0.5～2.5MS 為脈沖寬度，0～180度呈線性變化。提供舵機一定的脈寬，輸出軸就會保持一個對應(yīng)角度。

如圖1 所示為豎直方向自鎖直流電機所需的驅(qū)動電路。

圖1 自鎖式直流電機驅(qū)動電路

所需的驅(qū)動電路要能驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)，即“H”橋電路設(shè)計，來達到使用較少的IO 口資源控制直流電機的目的。利用“H”橋電路設(shè)計可在占用最小IO 自選前提下實現(xiàn)直流電機控制。電路板控制信號來自處理器，通過處理器發(fā)出的控制信號控制電機正、反、快、慢轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列減速齒輪組，減速后傳動至輸出軸。帶動減速齒輪組減速后傳動至輸出軸實現(xiàn)豎直方向的上下運動，調(diào)整光伏電池與太陽光入射角度。

3 核心板設(shè)計

3.1 接口電路設(shè)計

3.1.1 Flash 接口電路設(shè)計。由于系統(tǒng)代碼量很大，為了有足夠的存儲空間來存儲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在片外掛載了一個FLASH 芯片M25P16[5]。M25P16 具有先進寫保護機制和高速SPI 總線訪問的2M字節(jié)串行的一款Flash 存儲器，M25P16 芯片的CS 引腳接STM32的PA4，Q 引腳接STM32 的PA6，W 引腳直接接3.3V 電源正極，C引腳接STM32 的PA5，D 引腳接STM32 的PA7。

3.1.2 串口電路設(shè)計。STM32f103RBT6 款處理器片上載有3 路串口，這里引出1 路串口。使用了PA11，PA12 兩個IO 口，分別是數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD 和數(shù)據(jù)接收端RXD。

3.1.3 按鍵接口電路設(shè)計。系統(tǒng)ARM 終端板載1 路按鍵，用來測試之用電路中10K 電阻用來限制電流，電流有幾毫安即可。按鍵沒有按下時，電流流入芯片引腳，按下按鍵時，電流流入GND，這時流入芯片引腳電流為零。

3.1.4 JTAF 接口電路設(shè)計。對于STM32 來說有了JTAG 后，程序的下載和調(diào)試都變得簡單起來，應(yīng)用開發(fā)起來更加容易。與此同時單步調(diào)試有利于開發(fā)者了解代碼的執(zhí)行過程。標(biāo)準的JTAG 接口是4 線：TDI、TDO 、TMS、TCK，分別為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出線、模式選擇和時鐘。這里選用20 腳的JTAG 接口。

3.1.5 溫濕度傳感器接口電路。STM32 的IO 口與DHT11 溫濕度傳感器采用HT11 傳輸數(shù)據(jù)用的是單線制串行接口，STM30 與DHT11 溫濕度傳感器之間是單線串行傳輸，其與MCU 連接時只需要一個IO 就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。本系統(tǒng)使用P0_7 IO 口與DHT11相連。

3.2 移動小車驅(qū)動電路設(shè)計

小車的有四路電機，每路看似一個驅(qū)動電路，但是實際上是將左前、左后兩路電機線連接成一起，共用一個驅(qū)動電路；右邊也是一樣，電路圖如圖2 所示。

圖2 移動小車電路

小車的速度是由“H”橋驅(qū)動的，一個“H”橋由一路PWM 和一路普通IO 口控制。PWM 主要作用是控制占空比，繼而控制直流電機兩端的電壓，普通IO 口控制“H”橋兩端的正負電壓，（即控制兩端的電壓時正電壓還是負電壓）進而控制電機正反轉(zhuǎn)。

3.3 移動小車控制

機器人利用自身攜帶的傳感器識別未知環(huán)境中的特征標(biāo)志，然后根據(jù)機器人與特征標(biāo)志之間的相對位置和里程計的讀數(shù)估計機器人和特征標(biāo)志的全局坐標(biāo)。而整個追日巡更機器人中小車是整個設(shè)計的點睛之處，有了可移動的小車底盤，就可以讓系統(tǒng)隨心所欲，作為機器人必須要有移動裝置，這樣的設(shè)計最大程度的增加了機器人的活動巡更范圍。

3.3.1 避障設(shè)計。機器人行走避障是整個巡更機器人設(shè)計非常重要的環(huán)節(jié)，作為地盤小車一方面要足夠平穩(wěn)，能夠支撐整個機器人的電池、圖像采集設(shè)備以及頂端兩片較大的太陽能光伏板，還要確保高效的檢測出運行軌跡上的障礙，并快速做出反應(yīng)，及時更換路線避開障礙物。第一版設(shè)計方案中采用超聲波模塊實現(xiàn)障礙物檢測。這里選擇HC-SR04 超聲波長安器[8]，測距精度可達3mm，有效解決了機器人避障問題。

3.3.2 開關(guān)控制。光電開關(guān)可將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出[7]，靈敏的捕獲發(fā)射端與接收端之間的光線強弱變換并將其迅速轉(zhuǎn)換為電流信號波動傳遞，目前最常見的應(yīng)用是在安防系統(tǒng)中的光電煙霧報警器。光電開關(guān)靈敏度教高，所有能夠反射光線或者對光線有遮擋作用的目標(biāo)在接收到光電開關(guān)發(fā)射的光線時都能產(chǎn)生漫反射，靈敏度高、體積小、檢測距離遠（典型值可達3 米），抗干擾（光線、電磁波等）能力強。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)測試

“追日”測試。測試條件：陽光充裕，實驗B 樓405 窗臺。

在窗臺上運行系統(tǒng)后，光伏電池板自動轉(zhuǎn)向玻璃方向，過程如圖3。將電池板放在窗戶旁邊，會經(jīng)過a 電池板初始狀態(tài)，也就是剛上電時狀態(tài)；b 電池板尋日狀態(tài)，也就是電池板運動狀態(tài)，c 電池板穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過測試，“追日”功能可以運行，能自動向陽運動，效果良好。

圖3 追日測試

4.2 小車測試

測試條件：陽光充裕，實驗B 樓4 樓走廊。

如圖4 所示，小車測試主要測試小車在負重的情況下能否正常前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。在光伏電池板、充放電控制器、蓄電池和系統(tǒng)相關(guān)部件都裝到小車上，經(jīng)過測試，小車在整體負重情況下，有較快速度直行，能夠靈敏的轉(zhuǎn)彎，不反倒，運行狀態(tài)良好。

圖4 小車直行

5 結(jié)論

系統(tǒng)以STM32 為核心的自動控制系統(tǒng)，通過光照強度檢測，提高了系統(tǒng)的追蹤精度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏電池板的自動“追日”，以STM32 的處理方案。使用光強傳感器作為傳感器方案，提高了系統(tǒng)的精確度，也保證系統(tǒng)的靈敏性。系統(tǒng)蓄電池充放電控制器具有檢測光伏電池電路及用電電路中的電壓與電流，當(dāng)工作異常時自動斷開電路，保證蓄電池使用性能，也是系統(tǒng)的保護傘，保護整個電路的正常運行。攝像頭與四輪驅(qū)動小車的試用，在控制上可以實現(xiàn)前進后退，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)多方位、多角度的動態(tài)畫面拍攝與傳輸。