賽車- 西安工業(yè)大學(xué)- 西工光之影

PAGEPAGE14第二屆全國光電設(shè)計大賽理論方案報告編號：參賽題目：基于太陽能的光電導(dǎo)航搬運車參賽隊伍名稱：西安工業(yè)大學(xué)光之隊所在學(xué)校：西安工業(yè)大學(xué)隊長姓名：譚番瓊提交方案時間：2010-5-7一、參賽題目名稱基于太陽能的光電導(dǎo)航搬運車二、研究內(nèi)容本次大賽中，所選的題目是：基于太陽能的光電導(dǎo)航搬運車，即設(shè)計一個帶有導(dǎo)航和避障功能的太陽能搬運車，在指定時間和指定通道內(nèi)，將盡可能多的重物從指定裝載區(qū)運輸?shù)街付ㄐ遁d區(qū)。研究的主要內(nèi)容包括：小車的核心控制模塊的設(shè)計光電導(dǎo)航方式的選擇及實現(xiàn)太陽能電池板的性能研究及選擇小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計小車的驅(qū)動方式及轉(zhuǎn)向策略小車的速度與負重的關(guān)系三、研究方案通過對比賽要求和設(shè)計任務(wù)的分析，將光電導(dǎo)航搬運車分為以下幾個部分：控制核心模塊、系統(tǒng)電源模塊、電機驅(qū)動模塊、方向調(diào)整模塊、光電導(dǎo)航模塊、機械結(jié)構(gòu)模塊。并從以下幾個方面對各個模塊的方案進行了細致比較，得出最優(yōu)方案?？刂坪诵哪K控制核心模塊采用低成本、簡單易用的單片機，單片機作為小車的控制核心，控制光電傳感器，電機和舵機的工作。賽車啟動后，由單片機控制驅(qū)動電路驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，通過光電導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)處理來獲取障礙物的位置，根據(jù)這些信息控制舵機調(diào)整賽車運行方向，使賽車具有主動調(diào)整方向的功能。系統(tǒng)電源模塊根據(jù)大賽要求，賽車的全部動力來源于一塊面積不大于0.2M2的太陽能電池，為了獲得足夠能能量，盡可能的選用最大面積的太陽能電池，根據(jù)參數(shù)比對，本隊選用功率為20W、重約2.5Kg、輸出電流1.19A、輸出電壓16.8V的太陽能電池。在本設(shè)計中，單片機工作需要穩(wěn)定的5V電壓，采用LM2575開關(guān)穩(wěn)壓芯片。其輸入電壓范圍大(4.75V~40V范圍)、效率高、體積小。輸出電壓可選擇3.3V、5V、12V、15V且輸出穩(wěn)定。舵機使用的是4.8V~6V電壓控制，可以選用6V穩(wěn)壓芯片LM7806，但為了節(jié)能，可以用5V電壓供電，供電電壓的不同，對舵機負載能力和響應(yīng)時間有影響，但影響不大，可以使用。系統(tǒng)電源穩(wěn)壓模塊示意圖如下：圖1系統(tǒng)電源穩(wěn)壓模塊示意圖電機驅(qū)動模塊直流電機的驅(qū)動可以采用兩種方案：線性驅(qū)動和PWM驅(qū)動。采用PWM驅(qū)動，可以使系統(tǒng)的運行效率得到明顯的提高。以典型小型直流電機為例，分別采用線性控制和PWM控制，對系統(tǒng)的運行效率進行對比分析。典型電機參數(shù)如下：電樞電阻Ra=10Ω反電動勢系數(shù)Kc=2V/1000r/min空載電流I0=0.1A轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt=200g·cm/A額定電壓15V額定轉(zhuǎn)速1000r/min額定負載轉(zhuǎn)矩100g·cm通過計算，采用普通線性控制時，電機消耗功率約為13W，而采用PWM控制后，電機消耗的功率卻不到6W，可見PWM控制電機節(jié)能效果明顯。故本設(shè)計選擇PWM電機控制。電機與電源直連時的保護對策電動機與直流穩(wěn)壓電源直接連接時，需要注意一下兩種情況;①電機啟動時，電路中將流過很大的啟動電流。②電機運行時，電機將產(chǎn)生幅值很高的反電動勢脈沖。以上兩種情況對穩(wěn)壓電源十分不利，為了避免這些情況，可采用下圖所示的由一個二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電源保護電路。圖2電機與電源直連時的保護電路當電動機產(chǎn)生反電動勢脈沖時，二極管D2可用來吸收這種尖脈沖。當電動機一側(cè)的感應(yīng)電壓高于電源電壓時，二極管D1可用來防止電流的反向流通。方向調(diào)整模塊方向調(diào)整模塊用于實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向功能，從而避開障礙物。這里，有兩種方案：方案一：采用雙電機直接控制方向，當方向需要轉(zhuǎn)動時，控制雙電機的轉(zhuǎn)速，來控制調(diào)整的方向。優(yōu)點：電路簡單，采用晶體管控制，功耗低；缺點：在每次調(diào)整方向后，方向需要回歸正前方，直接用電機控制方向，無法自動恢復(fù)，只能通過彈簧實現(xiàn)，長時間使用后彈簧易疲勞。方案二：采用模型車專用方向控制舵機來實現(xiàn)賽車方向的調(diào)整。舵機接收控制信號，并輸出相應(yīng)的角度，給系統(tǒng)提供所需要角度的變化，是一個基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。舵機的控制信號可以通過驅(qū)動芯片或單片機模擬PWM信號來實現(xiàn)。優(yōu)點：方向調(diào)整方便、快速、可靠，調(diào)整好方向后可以通過脈沖使方向恢復(fù)角度。缺點：需要通過單片機模擬PWM信號，控制較為復(fù)雜。根據(jù)以上兩個方案的對比，最終選用方案二，因為舵機采用微電機，耗電低，而且方向調(diào)整快速可靠，控制信號可以通過單片機模擬實現(xiàn)。光電導(dǎo)航模塊本次比賽，最重要的就是要保證小車能有效地識別出障礙物，并能有效地避開障礙物。這就要求小車具有自動導(dǎo)航能力，這里有兩種方案：方案一：采用半導(dǎo)體激光傳感器，測出當前小車離障礙物的距離，從而避開障礙物。優(yōu)點：電路簡單，功耗低。缺點：場地較大，半導(dǎo)體激光器調(diào)試較難，而且，使用的激光器較多，控制復(fù)雜，小車方向也不易控制。方案二：采用攝像機拍攝比賽場地，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，計算出障礙物的距離，同時確定小車相對障礙物的方向。優(yōu)點：通過數(shù)字圖像處理的技術(shù)，障礙物位置計算更加精確，而且，運用軟件的方法，更加靈活，能適應(yīng)不同的環(huán)境。缺點：驅(qū)動電路復(fù)雜，需要進行攝像機標定工作。通過對比，最終選擇方案二，因為該方案靈活，適應(yīng)性強，同時相較一般測距傳感器來說，更具有創(chuàng)新性。圖像傳感器導(dǎo)航避障流程圖如下：圖像采集攝像頭標定圖像采集攝像頭標定去噪邊緣檢測障礙物識別位置信息圖3導(dǎo)航避障流程圖機械結(jié)構(gòu)模塊為了在比賽時可以獲得較高的電量，可以設(shè)計一種太陽能電池的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)。這種角度調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)兩種功能：一是調(diào)整太陽能電池板，使其能正對著太陽；二是小車往返時，太陽能電池板能手動快速轉(zhuǎn)向。在比賽前手動調(diào)節(jié)太陽能電池的角度，找到最佳角度。該角度在小車往返兩個方向都是最佳的角度。為了判斷哪個角度為最適宜角度，可以在小車尾部加上一個直流表頭來指示，太陽能電池角度的變化會帶來指針的波動，從而確定出最適宜角度，而且直流表頭自身不耗電可以達到節(jié)能的目的。四、技術(shù)路線及可行性分析為了對小車進行穩(wěn)定控制，需要對小車系統(tǒng)進行詳細數(shù)學(xué)建模，以便更好地指導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過對系統(tǒng)仔細分析，建立了以下模型：太陽能供電模型，小車運動模型，舵機轉(zhuǎn)向模型，直流電機模型，小車速度與轉(zhuǎn)向模型，圖像傳感器模型。小車運動模型要實現(xiàn)對小車的運動控制，首先要了解其運動規(guī)律，并求解運動學(xué)方程，以此作為控制的理論依據(jù)。運動學(xué)方程是研究動力學(xué)的基礎(chǔ)，是描述系統(tǒng)位置和姿態(tài)的方程。運動學(xué)方程不考慮系統(tǒng)產(chǎn)生運動的原因，只研究位姿及其相對時間的導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系。在進行運動學(xué)建模時，通常需要在開始做一些假設(shè)，這樣才能剔除某些次要因素影響的干擾，突出主要的運動學(xué)關(guān)系，完成建模工作。為了簡化問題，對小車運動學(xué)建模時，做了以下一些假設(shè):(1)車輪只滾動不打滑，即車輪與地面接觸點間的速度為零。(2)輪胎無側(cè)滑，由于車速較小，基本不會出現(xiàn)側(cè)滑。(3)樣車在運動過程中前部的方位偏差和后部的方位偏差較小。在以上假設(shè)條件下，針對小車的后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向的4輪汽車式移動平臺，采用圖3所示的運動學(xué)模型來分析其平面運動情況。其運動學(xué)模型如下，(3-1)(3-2)(3-3)其中，φ:轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角;θ:車身與x軸的夾角;l:小車前輪與后輪的軸間距;r:參考點Or到車身后軸中心O的距離;vf::前軸中心點的速度。圖3小車運動學(xué)模型圖中，xref,yref分別表示參考點Or的橫坐標與縱坐標值;x，y分別為后軸中心點O的橫坐標與縱坐標值。當r=0，時，代入公式（3-1），公式（3-2），公式（3-3），則可得下面簡化式：（3-4）（3-5）（3-6）由公式（3-4），公式（3-5）和公式（3-6）可知，小車的姿態(tài)完全由兩個量決定，即v和。只需要控制v和，即后軸中心點的速度和轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角，就可以決定小車的運動軌跡。進而可以得到系統(tǒng)的以前輪轉(zhuǎn)角為輸入、以y方向移動距離為輸出的傳遞函數(shù):（3-7）太陽能供電模型(1)小車能量由于太陽能電池的標準測試條件為AM1.5（輻照度=1000W/m2，電池溫度=25℃），而實際使用中條件會有所偏差，所以需要將太陽能電池所轉(zhuǎn)換的能量E乘以一個影響系數(shù)K，而得到實際天氣情況下的能量EK：EK=K×E。式中，K的取值可以下表估算得到。表2太陽能電池照度比較表狀況照度（lx）影響系數(shù)（K）直射90,000~100,0000.9晴天60,000~80,0000.8有云40,000~70,0000.63陰雨10,000~30,0000.29(2)能量分配根據(jù)汽車原理，太陽能小車中主要的耗能部分有三部分：電機及驅(qū)動電路、方向控制電路和圖像傳感器部分電路。電機驅(qū)動部分由直流電機和電機驅(qū)動電路組成，所耗能估算為70%EK；方向控制是通過從舵機實現(xiàn)，耗能較低，為10%EK；圖像傳感器實現(xiàn)太陽能搬運車自動導(dǎo)航與避障的功能，可選用耗能較低的元器件以減少能耗，為10%EK，剩余電量可以供給小車控制部分使用，主要是單片機及部分放大電路和驅(qū)動電路。表1各模塊能量分配表模塊能量分配通過太陽能獲得總能量EKEK=K×E電機驅(qū)動50%EK舵機驅(qū)動25%EK圖像傳感器部分10%EK核心控制部分15%EK速度與載重模型設(shè)小車未載物時總重為m0，每次載重為m，由于小車速度較低，可近似看做勻速運動，則小車所需牽引力為：PK=f(m0+m)小車的行進是由電機驅(qū)動的，分配給電機的功率為：P=0.7*Ek=70%*K*E當小車行駛過程中速度為v時，需滿足：PK*v≤P即：f(m0+m)*v≤P當取等號時，能源獲得充分利用，進而能取得最佳效果。有了模型后，我們就可跟據(jù)實際情況決定小車的載重及行駛速度。舵機轉(zhuǎn)向模型舵機接收控制信號，并輸出相應(yīng)的角度，給系統(tǒng)提供所需要角度的變化，是一個基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。從下圖，容易看出，輸入信號脈沖寬度與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系為：Y=90*X-135式中Y表示輸出角度，X為脈沖寬度(/ms).圖4舵機控制信號與輸出角度關(guān)系6.圖像傳感器模型當物距相對于攝象機焦距很遠時，攝像機可以視為小孔模型，設(shè)世界坐標系為(X,Y,Z)，攝象機坐標系為(x,y,z)，圖象平面坐標為(u，v)，從世界坐標系到攝象機坐標系的轉(zhuǎn)換利用齊次坐標如式1所示，從攝象機坐標系投影到圖象平面如式2所示。(6-1)其中是旋轉(zhuǎn)矩陣，表示世界坐標系和攝象機坐標系方向上的變化，是從世界坐際原點到攝象機坐標系原點之間的位移;R,T被稱為攝象機的外部參數(shù)。（6-2）其中是圖象中心位置，f是攝象機焦距，，分別是u方向和v方向上的比例因子，這些參數(shù)被稱為攝象機的內(nèi)部參數(shù)。我們用矢量表示(tr,v)`，矢量u'表示齊次坐標(u,v，1)`，矢量表示(X,Y,Z)`,矢量，表示齊次坐標(X,Y,Z,1)`。式（6-1）和式（6-2）可以合成為:(6-3)上式也可以寫成:其中，是矩陣M中的元素，顯然滿足上述方程的矩陣M不是唯一的，因此一般取來歸一化矩陣M，上式可以寫成:（6-4）五、擬解決的關(guān)鍵問題1.圖像傳感器標定在進行障礙物檢測前，攝像頭必須進行標定工作。攝像頭標定可以采取的方法有：兩步法攝像機標定，基于平面模板的攝像機標定方法，基于OpenCV的攝像機標定方法等。攝像機標定的好壞會影響到后來障礙物的識別，因此這是需要解決的關(guān)鍵問題。太陽能電池角度調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計本次比賽，全部的能源都來自太陽能，要想得到高效的太陽能，需要設(shè)計一個好的角度調(diào)整結(jié)構(gòu)。而且小車在往返時，行駛方向改變，太陽能電池板方向也要能隨之快速簡單地進行調(diào)整。小車速度與載重調(diào)試大賽的最終目的是要在規(guī)定時間內(nèi)搬運盡，可能多的貨物，我們在上面建立了小車速度與載重的模型，因此下來就要對該模型進行驗證，優(yōu)化，以到達最佳效果。圖像處理算法在對圖像傳感器進行標定后，就要研究圖像處理算法。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，機器視覺技術(shù)以及機器視覺開發(fā)包OpenCV等，編寫程序并進行優(yōu)化。六、特色與創(chuàng)新點突破傳統(tǒng)觀念，使用一種新穎的導(dǎo)航定位方法，即圖像的導(dǎo)航方法。該方法不但精度高，誤差小，價格低廉，并且很好地符合了大賽“光與生活”的主題，用生活中常見的設(shè)備完美實現(xiàn)了比賽要求。利用數(shù)字圖像處理的技術(shù)進行避障，簡單可行，精確快速，同時可把該技術(shù)擴展到其他應(yīng)用上去，如移動機器人避障，小車走迷宮等。七、時間進度安排2010年5月8—2010年5月16號，前期理論性方案再次驗證2010年5月17—2010年5月30號，具體電路圖設(shè)計及小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2010年5月31—2010年6月6號，購買小車器材及其他部件201