太阳能温差发电智能循迹避障小车的研究

张洪宇 葛宜元 王琪 魏天路 杜爽 周华剑 马雪建 张晋嘉

摘 要：太阳能温差发电智能型循迹避障小车以AT89C51单片机为控制中心，利用温差发电，传感器实时感应外部环境、路径等信息，来实现自动方向控制；采用电荷耦合元件进行识别位于白色地面中的任意黑色带状引线的路径，使小车可以沿黑色导引线完成自动行驶。主要对小车的结构、工作原理、温差发电、硬件设计、软件设计和实验部分进行分析。

关键词：温差发电能；智能；循迹；避障

中图分类号：S237文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.006

Abstract： This product is a solar thermoelectric power generation intelligent obstacle avoidance car tracking， car to AT89C51 microcontroller as the control center， making use of the thermoelectric sensor， real-time sensing external environment， path and other information， to achieve automatic direction control， path by charge coupled device for identification in any black ribbon lead white in the ground. The car can automatically run along the black wire. In this paper， the temperature difference， power generation， hardware design， software design and test results of the car are analyzed.

Key words： thermoelectric generation； intelligent； tracking； obstacle avoidance.

0 引言

隨着社会的发展，科技的进步，机械智能化的要求也不断提升，人们对生活中各个方面智能化操作的期望也日益增强。智能化不仅提高了工作效率，还能减少人身安全的危险性。自1959年，英格伯格和德沃尔一起制造出第一台工作机器人以来，机器人已经在各个地区和领域发展起来，近几年智能机器人的水平不断提升，逐渐改变了人们的生活水平。近年来，智能寻迹避障小车的发展越来越吸引人们的眼球，国内外也因此开展了一系列的竞赛活动。

目前，在世界经济多元化活跃的大背景下，智能车研究和开发已经是各个国家科技发展的重要部分。在二十世纪高新技术不断发展的时代，智能循迹小车成为机器人技术的一个重要分支。在生产技术的环境不断改进下，自动化技术不断提高的条件下，智能车得到了前所未有的发展，且已经广泛应用到各个领域和地区，智能车及相关产品的开发已日渐成熟[1]。然而，利用新型能源作为智能循迹小车的动力来源是人们更需要的。

1 研究的意义及国内外发展状况

1.1 研究的意义和目的

本设计基于微处理系统，并利用GPRS设置无线通讯模块，以此实现控制小车的前进、后退、停止、直角及圆弧转弯。以AT89C51单片机为核心控制系统，并将光、电、无线通讯等技术融为一体，运用检测技术、自动控制技术、无线通讯技术、电子技术制作出一个太阳能温差发电智能循迹小车，小车具有利用太阳能作为动力源，感知环境，自动识别与规划路径的能力。

1.2 国内外发展状况

随着汽车工业的飞速发展，移动机器产生了，伴随着智能车数量的不断增加，移动机器人越来越受到人们的关注，且人类的生活水平也得到了一个提升，关于汽车的研究也就越来越受人关注。国家也对科技创新给予鼓励，每年都会举行相应的电子大赛，几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大[2]。

自20世纪70年代以来，欧美发达国家便致力于智能小车的研究。在军事方面，早在20世纪80年代，美国国防部就资助了自主陆地车辆ACV的研究。其中，我国吉林大学智能车辆研究组于2003年7月研发第一辆自动驾驶汽车。一个拥有感知环境、规划决策、自动驾驶等功能的综合系统，构成了今天的智能车。它集中地运用了传感、信息、通信、导航及自动控制等技术[3]。在2005年，日本爱知世博会上，丰田公司首次演示了ITMS无人公交系统。智能小车现今技术最高的当是飞思卡尔举行的比赛，采用先进的摄像头采集黑线线路，此时要求芯片的运算速度是非常高的[4]。

我国于20世纪80年代研究智能车技术，大多数的研究只是处于单体技术的研究，相对其他发达国家，我国起步很晚。虽然我国在智能车技术方面起步总体相对落后，存在一定的差距，但是通过不懈的努力，取得了一系列的成就。

2 车体的框架

太阳能智能循迹避障小车由小车底盘、红外线探测器、超声波探测器。电源控制板、单片机、电源等主要部分组成（如图1）。图1a是利用PRO/E软件将太阳能温差发电智能循迹避障小车制作成三维模型，是小车的整体框架构造示意图。图1b是太阳能温差发电智能循迹避障小车的平面示意图。

3 工作原理

3.1 智能循迹避障

由于太阳能温差发电智能循迹避障小车必须做到前进、后退、停止和灵活的转动，我们选择了采用后轮驱动。后轮后面有一个驱动电机，通过调整后面两个轮子的转速从而控制小车的启动、停止和行驶速度，前轮起到支撑作用，将红外线循迹传感器装在车体的前面，当位于车身右边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制右侧车轮减速，车身向右修正，反之向左转（如图2）。

3.2 太阳能温差发电

太阳能温差发电，是指利用温差热电器将太阳能转换为电能，利用新能源提供电能，不是传统的化学能提供电能。该系统主要由太阳能聚光型集热器、温差发电反应器和冷源三部分组成。温差热电转换器是一个凸透镜，系统原理是利用太阳能聚光型集热器对温差发电反应器的一面进行加热形成热端，而温差发电反应器的另一面通过冷源自然散热形成冷端，这样两端就形成了一定的温差，由于太阳能和冷源的化学反应实现热能向电能的转换，从而可直接给小车提供电源，让其运动[5]。

4 软件设计

4.1 循迹传感器部分

RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，硅平面光电三极管是一个高灵敏度的接收器[6]。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：通过塑料透镜提高灵敏度；通过内置可见光过滤器来减小离散光的影响、体积小、结构紧凑。

当发光二极管发出的光没有反射回来时，三极管导通输出高电平。此光电探测器具有调理电路简单、工作性能稳定的特点。同时，采集传感器信号，智能分析外部环境、路径信息、自动实现方向控制，采用电荷耦合元件进行路径识别，可以识别位于白色地面中的任意黑色带状引线，使小车可以沿黑色导引线完成自动行驶。

4.2 避障传感器部分

采用红外线光电开关。由于红外线指向性强，在介质中传播远，因而红外线经常应用于距离的测量、障碍物的探测等。红外线光电开关的重要作用是能够处理光的强度变化，利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体，使光束发射经过长距离后瞬间返回[7]。红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向小车发送控制信号以使小车绕过障碍物。

采用超声波传感器，超声波传感器探测障碍是利用超声波发送模块向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，在一定距离内遇到测定的障碍物就会立即返回超声波接受模块，再由相关电路处理，以测定障碍物的方位和距离。

5 硬件设计

5.1 印制电路板

印制电路板是電子工业重要的元件之一。印制电路板是电子元件与所述电路板的各种电子元件连接到一起的重要组成部分，它是连接电子元件之间的载体[8]。印制电路板之所以应用的范围越来越广，有以下几个有点：

（1）高密度性：印制电路板是可以高密度集成的电路，在集成度技术和安装方面都有了提升和长进[9]。

（2）高可靠性：经过许多测试试验和老化试验，以确保印制电路板能够有很长的使用时间（寿命有限，一般为20年），并且在电路中能够可靠的应用[10]。

（3）可维护性：由于印制电路板是应用量很大的部件，电路板在设计上就已达到标准化生产，部件的组装已经是标准件。所以，如果系统出现故障，即可快速、快捷地更换原来的系统和部件。

5.2 激光传感器

激光传感器也是重要的组成部分。如果激光传感器开始工作，使激光二极管发射出激光脉冲，发射方向即车辆的行驶方向。由于黑色轨道的反射作用，使激光散射不同方向。部分散射光返回到传感器的接收器，接收光学系统成像在雪崩二极管中[11]。雪崩光电二极管属于光学传感器的一种，在它的内部还能够完成变焦的工作，所以非常弱的光信号也可以被接收到并转换成对应的电信号[12]。在智能车上应用的激光传感器是市场上常见的激光距离传感器，由于发射激光脉冲和受到发射的激光脉冲有延迟时间，通过计算这个时间差就可以知道传感器与所测目标相距多少。因为激光传感器发射的激光光速非常快，所以一定要非常准确地确定激光传感器的发送时间[13]。

6 实验部分

6.1 太阳能温差发电部分

太阳能温差试验部分利用凸透镜进行聚光，经过聚光后转换成热能后提高温差发电器热端的温度，冷源部分的传热元件是扁平热管，利用化学反应散热，增大温差发电器冷源和热端温差，来提高装置的输出功率和热电转换的效率。对基于凸透镜与扁平热管水冷散热的聚光太阳能温差发电装置进行试验研究，结果表明，随着冷却水流量的增加，装置输出功率得到提高，当冷却水流量达到1 L/min后，输出功率逐渐平缓，随着温差的增大装置的最佳匹配负载也逐渐增加。在试验过程中，装置的最大输出功率为3.2 W，平均输出功率为2.7 W，实验过程发出电量23.3 W·h，热电转换效率最大为5%，装置最大效率4%。

6.2 智能循迹避障部分

太阳能温差发电智能循迹避障小车是由复杂集成传感器的技术、环境感知的功能和自动驾驶技术与传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制组成。主要思想是使用汽车模型对线阵CCD道路信息的采集，通过AT89C51单片机收集信息，利用AT89C51单片机一定的算法，来控制模型车的运动状态。

从起始点到终点（如图3），中间有三个标志点（位置任意），每检测到一个标志点机器人停留5S再前进。

7 结论

太阳能温差发电智能循迹避障小车系统的设计以AT89C51单片机为核心，利用了红外线传感器、超声波传感器，将AT89C51单片机、印制电路板、激光传感器相结合，利用温差发电装置进行发电。本实验已实现了如下功能：

（1）小车可以自动沿正确轨道行驶，在行驶过程中，能够自动检测预先设计好的轨道，实现直线和转弯轨道的前进功能。若有偏差，能够自动纠正，返回到正确轨道上来。

（2）当小车在前进过程中遇到障碍物时，可以自动调整，绕过障碍区域，从安全区域通过。小车通过障碍区域后，能够行驶到原来的轨道上，实现自动循迹。

（3）由于太阳能和冷源的化学反应实现热能向电能的转换，从而可直接给小车提供电源，让其运动。

从实验结果来看循迹的效果比较好，避障的效果也很不错，但本设计还有巨大的发挥空间，我相信如果实验条件和时间的允许下，肯定能进一步的对本设计进行完善。

参考文献：

[1] 刘海波.国外机器人技术的发展背景、模式、现状分析及前景展望[J].机械与电子，1985，3（1）：30-35.

[2] 尤扬.基于模糊控制的新型循迹智能小车设计[D].沈阳：沈阳工业大学，2015.

[3] 袁亚东.基于CCD的智能小车的研制[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[4] 李晓强.飞思卡尔智能车大赛赛道信息数据的采集[J].电子消费，2015（3）：50-53.

[5] 潘贤徳.AMTEC热力性能数值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[6] 王国胜，陆明，常天庆.基于光电传感器电路的迷宫机器人设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11.

[7] 陈康.印刷电路板的知识产权保护研究[D].上海：华东政法大学，2015.

[8] 田民波.高密度封装进展之四——印制路线板制造技术的发展趋势[J].印制电路信息，2004（1）：4-11.

[9] 袁敏.印制电路板防护工艺热带海洋环境适应性研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[10] 黄稳柱.基于光纤激光传感器的声发射检测与定位技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2013.

[11] 王自成.接近度、位移和位置传感市场中的激光传感器[J].电子产品世界，1995（5）：26-26.

[12] 莫太平，杨宏光，刘冬梅.面向多路线的智能循迹小车的设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（4）：6-9.

[13] 陈梦婷，胡白燕，黄璨.基于单片机的智能循迹避障小车的设计与实现[J].智能机器人，2016（2）：47-51.