【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車-計算機技術

序號： 編碼： 參賽作品 （作品情況與作品正文） 作品名稱： 采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車 類別： 自然科學類學術論文 哲學社會科學類社會調查報告和學術論文 科技發(fā)明制作 A 類 科技發(fā)明制作 B 類 報作品情況（科技發(fā)明制作） 說明： 1必須由申報者本人填寫； 2本部分中不允許出現(xiàn)作者的所有相關基本信息 3本表必須附有研究報告，并提供圖表、曲線、試驗數(shù)據(jù)、原理結構圖、外觀圖（照片），也可附鑒定證書和應用證書； 4作品分類請按照作品發(fā)明點或創(chuàng)新點所在類別填報。 作品全稱 采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車 作品分類 （ B ） A機械與控制（包括機械、儀器儀表、自動化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技術（包括計算機、電信、通訊、電子等） C數(shù)理（包括數(shù)學、物理、地球與空間科學等） D生命科學（包括生物、農(nóng)學、藥學、醫(yī)學、健 康、衛(wèi)生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化學、化 工、生態(tài)、環(huán)保等） 作品設計、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點，技術關鍵和主要技術指標（ 650 字以內） 一、 作品設計的目的： 面對能源短缺、環(huán)境污染等問題對人類生存構成的嚴重威脅，人們對能源提出新的要求，太陽能等“綠色能源”日受青睞。 “ 采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車 ”就是將太陽能應用到實際生活中去，它具有很高的參考價值和實用價值。 二、 作品設計的基本思路： 我們設計的小車主要分為電源模塊、避障模塊和驅動模塊三大部分來 研究：電源模塊通過太陽能光電池將太陽能轉化成電能，為整部小車提供能源；對于避障功能的實現(xiàn)，則是利用紅外線漫反射光電開關對障礙物進行檢測，然后由單片機對相應程序的處理，進而控制小車實現(xiàn)左轉、右轉、停止和前進等功能；驅動模塊，我們選用了超大扭矩的直流電機，提高小車的載重能力。 三、 創(chuàng)新點： 源清潔、無污染，只要有一定強度的陽光就能行駛，甚至可以進一步改進成在陰天情況下都可以行使，非常符合未來社會的價值需求以及發(fā)展需要； 現(xiàn)了在有載 重的情況下的穩(wěn)定行駛，這對將來社會的運輸行業(yè)有一定的參考價值； 利用巧妙的方法提高了系統(tǒng)的可靠性與靈敏度； 無需個人親自操作，安全性高。 四、 技術關鍵和主要技術指標： 何保證光伏系統(tǒng)的輸出功率與效率； 能根據(jù)實際路況選擇最優(yōu)行駛方案； 何提高小車的速度與載重量 作品的科學性先進 性（必須說明與現(xiàn)有技術相比、該作品是否具有突出的實質性技術特點和顯著進步。請?zhí)峁┘夹g性分析說明和參考文獻資料）（ 450 字以內） 一、作品的科學性和先進性： 紅外技術 已經(jīng)廣泛用于生活、軍事等領域， 我們設計的小車通過紅外光線漫反射光電開關對障礙物進行探測，然后將采集到的信號送到 單片機，單片機通過相應程序對信號進行處理，從而實現(xiàn)小車避障的功能。另外，小車采用太陽能光電池將太陽能轉化為電能，直接提供能源，沒有添加蓄電池等蓄電元件，這是對現(xiàn)有技術的一個突破。當然， 沒有蓄電元件 會出現(xiàn)供電不穩(wěn)定 等 問題， 這就要求小車電路 的設計要更加合理。 二、參考文獻： 1 康華光 五版） M 2006 2 王慶有 M2007 3 何立民 M2007 4 杜開珍 ,黃迪明 言教程 M. 科學出版社 品在何時、何地、何種機構舉行的評審、鑒定、評比、展示等活動中獲獎及鑒定結果（ 350字以內，不超過 5 個） 三位小組成員在該作品的研究、討論、制作的過程中付出了大量心血，當然也用了不少的經(jīng)費；在時間緊、經(jīng)費不足的情況 下之，不斷嘗試各種方案，又進行了多番改進，到最后克服了種種障礙，解決了多個技術難題，終于做出了可行的實物模型。該作品的方案通過了“第二屆全國大學生光電設計大賽組委會”的初審（全國僅有 55 支隊伍獲得初審通過），并于“ 2010年 8 月 7 日”，參加了在吉林省“長春理工大學”舉辦的第二屆全國大學生光電設計大賽“實物決賽”，最終雖未獲任何獎項，但得到了眾多參賽隊伍的贊許與肯定。 作品所處 階 段 （ A ） A 實驗室階段 B。中試階段 C 生產(chǎn)階段 D （自填） 技術轉讓方式 作品可展示的 形 式 實物、產(chǎn)品 模型 圖紙 磁盤 現(xiàn)場演示 圖片 錄像 樣品 使用說明及該作品的技術特點和優(yōu)勢，提供該作品的適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預測（ 450 字以內） “ 采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車 ” 是利用太陽能來為整部小車提供能源，因此，只需要將小車放置在有陽光的地方，就可以正常地工作。 我們設計的小車，在車體下放置有紅外漫反射光電開關，可以對障礙物進行探測，然后通過單片機相應程序的處理，進而控制小車左轉、右轉、停止、前進等，實現(xiàn)智能避障的功 能。小車的優(yōu)勢在于，不需要人工操控，就能夠實現(xiàn)躲避障礙物。 這種小車，一方面，它利用了“綠色能源”，不會對環(huán)境造成污染，符合 當代 人類“環(huán)?！钡挠^念， 而且，只要太陽存在，那么小車所需要的能源可以說是取之不竭，用之不盡的；另外一方面，小車利用紅外漫反射光電開關和單片機來實現(xiàn)智能避障的功能，不需要人工來控制，很適合用在那些危險性比較高的搬運工作中。 進入二十一世紀以后，由于人類對大自然的過分索取，現(xiàn)在“地球村”是千瘡百孔，環(huán)境污染、能源短缺等問題威脅著人類的生存。人們迫切地希望市場上能夠出現(xiàn)讓人類和自然和諧共處的 產(chǎn)品。本設計的小車，不會給環(huán)境帶來任何負面的影響， 具有很高的實用價值和參考價值， 相信如果投入到市場的話，一定會受到很多消費者的青睞；另外，小車的制作成本也很低， 能夠帶來更多的經(jīng)濟效益。 專利申報情況 提出專利申報 申報號 申報日期 年 月 日 已獲專利權批準 批準號 批準日期 年 月 日 未提出專利申請 說明： （ 1000 字以內） 目前，汽車用的燃料仍然是汽油和柴油等，它們都是從石油中提煉出來的。然而，石油屬于不可再生能源，據(jù)科學家預計，目前世界上已探明的石油儲量將于 2020 年左右被采盡。另外一方面，燃燒石油，會產(chǎn)生氮氧化合物、二氧化硫等有害氣體，污染人類賴以生存的環(huán)境。 面對能源短缺、環(huán)境污染等嚴重問題，人類開始尋找“綠色能源”，于是太陽能成為了 “新寵兒”。金焰四射的太陽，其表面是一片烈焰翻騰的火海，溫度為 6000左右。在太陽內部，溫度高達兩千萬度以上。所以，太陽能夠一刻不停地發(fā)出大量的光和熱，是取之不盡、用之不竭的能源聚寶盆。 將太陽光變成電能，是利用太陽能的一條重要途徑。人們早在二十世紀 50年代就制成了第一個光電池。將光電池裝在汽車上，用它將太陽光不斷地變成電能，使汽車開動起來。這種汽車就是新興起的太陽能汽車。 太陽能電池最常用的是硅太陽能電池。硅太陽能電池能把 10% 15%的太陽能轉變成電能，是一種比較理想的電源，但是其光電轉換效率較低。近 年來，美國已研制成光電轉換率達 35%的高性能太陽能電池。澳大利亞用激光技術制成的太陽能電池，其光電轉換率達 而且成本與柴油發(fā)電相當。這些都為光電池在汽車上的應用開辟了廣闊的前景。 早期的太陽能汽車是在墨西哥制成的。這種汽車，外形像一輛三輪摩托車，在車頂上架有一個裝太陽能電池的大棚。在陽光照射下，太陽能電池供給汽車電能，使汽車的速度達到每小時 40 公里，由于這輛汽車每天所獲得的電能只能行40 分鐘，所以它還不能跑遠路。 1984 年 9 月，我國首次研制的“太陽號”太陽能汽車試驗成功，表明了我國在研制新型汽車方 面已達到世界先進水平。 現(xiàn)在世界上很多國家都在研制太陽能汽車，并進行交流和比賽。 1987 年 11月，在澳大利亞舉行了一次世界太陽能汽車拉力大賽。有 7 個國家的 25 輛太陽能汽車參加了比賽。賽程全長 3200公里，幾乎縱貫整個澳大利亞國土。 在這次大賽中，美國“圣雷易莎”號太陽能賽車以 44小時 54分的成績跑完全程，奪得了冠軍?！笆ダ滓咨碧柼柲苜愜?，雖然使用的是普通的硅太陽能電池，但它的設計獨特新穎，采用了像飛機一樣的外形，可以利用行駛時機翼產(chǎn)生的升力來抵消車身的重量，而且安裝了最新研制成功的超導磁性材料制成的電機 ，因此使這輛賽車在大賽中創(chuàng)造了時速 100 公里的最高紀錄。 太陽能汽車不僅節(jié)省能源，消除了燃料廢氣的污染，而且即使在高速行駛時噪音也很小。因此，太陽能汽車已引起人們的極大興趣，并將在今后得到迅速的發(fā)展。 采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車 摘要 :在能源越來越短缺，環(huán)境污染日益嚴重的今天，太陽能作為一種“綠色能源”逐漸地受到人們的關注。隨著科學技術的發(fā)展，太陽能光電池已經(jīng)應用到我們生活的諸多領域。我們此次競賽中選取的題目是“采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車”，具有很大的挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性，更重要的是 它具有很高的實用價值。 我們設計的小車所需要的所有能源都是通過太陽能光電池來提供，對于智能導航避障功能的實現(xiàn)，則是利用紅外線漫反射光電開關對障礙物進行檢測，然后由單片機對相應程序的處理，進而控制小車實現(xiàn)左轉、右轉、停止和前進等功能。另外，我們選用了超大扭矩的直流電機，提高小車的載重能力。 關鍵詞 ：太陽能 智能導航 避障 光電開關 小車 1 項目總體結構和簡介 本設計的采用獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車總體結構分為三部分 電源模塊、避障模塊和驅動模塊。 電源模塊，利用太 陽能光電池將太陽能轉化為電能，為整部小車提供能源。系統(tǒng)分開供電，主要分別為光電開關、單片機和直流電機供電，如下圖所示： 圖 1 小車能源分配圖 避障模塊，在小車車體下左中右分別放置有一個紅外線漫反射光電開關，光電開關是將光的強度變化轉化為電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關根據(jù)是否檢測到障礙物而輸出高低電平信號。單片機芯片 整個電路的控制中心，處理紅外漫反射光電開關采集到的數(shù)據(jù)，然后控制直流電機的驅動電路。直流電機在單片機相應程序的控制 下，會實現(xiàn)左轉、右轉、前進等功能，從而達到避障的目的。 光電開關 流電機 太陽能電池 驅動模塊，本設計的小車是采用前輪驅動，前輪左右兩個輪子分別用一個直流電機來控制，而后面兩個輪子采用萬用輪，起到支撐的作用。驅動電路在單片機的控制下，通過輸出不同的占空比，從而來控制左右兩個電機的轉速，實現(xiàn)左轉、右轉等功能。另外，我們選用了扭矩超大的直流電機，極大地提高了小車的載重能力。 小車整體的寬為 29厘米，長為 63 厘米，高為 12厘米左右，如下圖所示： 圖 2 小車實物外觀 2 主要研究內容與采用的方法 本設計的采用 獨立光伏供電系統(tǒng)的智能導航小車通過紅外線漫反射光電開關對障礙物進行探測，然后將采集到的信號送到單片機相應的程序進行處理，單片機輸出控制信號，控制小車前輪的轉動和停止，實現(xiàn)避障的功能。 主要研究的內容有整個電路的功耗、光電開關的探測能力、小車的避障功能、小車的載重能力等四個方面的內容。 太陽能電池板為整個電路提供能源，因此它的功率必須能夠滿足整個電路的功耗。在實際的測量中，每個光電開關的功耗為 個電機的功耗為 8以，整個電路的功耗為 20們選用的太陽能電池板 的標稱功率為 25W，但是實際測量中，在太陽光的照射下，太陽能電池板的功率為 23不能達到標稱功率，但是，這種太陽能電池板的功率足以驅動整部小車工作。 避障電路采用紅外漫反射光電探測器對被探測物進行檢測。光電開關是將光的強度變化轉化為電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關，它的工作原理是傳感器紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外光，接收管根據(jù)反射回來的紅外光強度大小來計數(shù)的，故被檢測的工件或物體表面必須有黑白相間的部位用于吸收和反射紅外光， 這樣接收管才能有效的截止和飽和達到探測是否有障礙物的目的。當接收頭接收到光線的時候，輸出低電平，反之，則輸出高電平。單片機根據(jù)接收頭電平的高低來做出相應的控制，實現(xiàn)小車避障的功能。 光電開關的工作原理圖： 圖 3 光電開關工作原理圖 我們所選用的紅外線漫反射光電開關的具體參數(shù)如下表所示： 型號 輸出方式 開 外形 線常開 工作電壓 直流 6內 檢測距離 50 厘米（ 輸出電流 300毫安 (檢測物體 不透明體 外殼材料 塑料 1 通過以上表格的參數(shù)可以看出，光電開關的工作電壓范圍為 636V，范圍比較寬，可以保證其工作過程比較穩(wěn)定，提高了對障礙物檢測的準確性和可靠性。 光電開關的最佳檢測距離為 50 厘米，符合我們的要求。當然，這個檢測距離也可以根據(jù)實際情況來調節(jié)，我們通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，在比較理想的情況下，檢測距離最遠可達到120厘米。不過，如果距離太遠的話，光電開關的檢測靈敏度明顯下降了很多，而且受外界的干擾比較大。另外，對于不同反射率的不透明物體，光電開關的檢測距離和靈敏度也會有所不同。 總之，選擇這種光電開關，一方面符合我們的要求，另外其性價比也比較高。 智能小車行駛的過程中，在單片機的控制下，當檢測到左中右都有障礙物 的時候，規(guī)定小車向右轉；當檢測到左邊有障礙物的時候，小車向右轉；當檢測到右邊有障礙物的時候，小車向左轉；當檢測到左右兩邊沒有障礙物，而中間有的時候，規(guī)定小車向左轉。當檢測到左中右都沒有障礙物，或者左右兩邊有障礙物，中間沒有的時候，小車前進。 綜合以上分析，小車的避障電路功能表為： 避障電路功能表 傳感器 避障電路輸出 待執(zhí)行命令 左 中 右 左轉信號 右轉信號 0 0 0 右轉 0 0 1 右轉 0 1 0 前進 0 1 1 右轉 1 0 0 左轉 1 0 1 左轉 1 1 0 左轉 1 1 1 前進 （注：“ 0”表示有障礙物，“ 1”表示無障礙物。） 表 2 37173616014115：“”表示左邊探測器，“”表示中間探測器，“”表示右邊探測器） 圖 4 避障電路圖 26 機 機 機 0 1 工作 不工作 不工作 0 1 0 不工作 工作 不工作 1 0 0 不工作 不工作 工作 表 3 外檢測器工作的時候采用“時分復用”技術。由于單片機輸出 接口的輸出電壓為 以可以通過單片機的輸出接口為左中右三個紅外探測器供電。單片機通過對相應程序的處理，可以分時來控制三個紅外探測器的工作與否，保證在相同的時間間隔內有且只有其中一個探測器在工作，這樣可以有效地避免探測器之間信號的相互干擾。 了使小車實現(xiàn)避障的功能，并且走“八字形”的路線，我們在場地適當?shù)奈恢貌贾昧藢Ш轿铮瑘龅夭贾脠D如圖所示： （注：圖中紅色圓弧為所設置的導航物，上面設有黑白相間的條紋。） 圖 5 場地布置圖 于比賽要求小車要有一定的載重能力，所以對直流電機的要求比較高，我們選用了扭矩為 20 M 的直流電機。為了使電機能夠穩(wěn)定工作，直流電機通過特定的驅動模塊來驅動，因此不需要穩(wěn)壓電路，降低了電路的復雜性，易于實現(xiàn)。 直流電機的扭矩為 20M=2NM 小車輪子半徑為 一個直流電機的驅動力為 2/以 m=0=G 即最大可承載 實際的測量中，電機的最 大可承載物重量為 4千克左右，由于各方面的原因，雖然沒有達到理論值，但是這種電機已經(jīng)符合比賽的要求了。 3 實物測試結果與分析 我們根據(jù)實際情況，在不同的環(huán)境下測得了太陽能電池板的輸出電壓，如下表所示： 環(huán)境 室內 室外 自然光 自然光 太陽光 陰天 電壓（ V） 7 2025 4 在太陽光的照射下，我們測得太陽能電池板的輸出電流大約為 就是說太陽能的輸出功率大約為 23W，由于小車工作時的功耗為 20以太陽能電池足以去 驅動整部小車正常工作。 我們所選用的紅外漫反射光電開關的最佳測距為 50 厘米左右，在實際測試中，這種光電開關最遠的測距大約為 120厘米。測距稍微遠一點，能夠給小車足夠的空間和時間轉向。 我們選用的直流電機的扭矩為 20M，通過實際的測試，這種電機的最大載重為 4千克左右，符合我們比賽的要求。 4 研究成果與創(chuàng)新之處 測障礙物的器件采用紅外漫反射光電開關。 光電開關具有比較強的抗干擾和噪聲的能力，響應速度快，實用性強。另外，對于紅外漫反射光電開關，當其 工作在 5V 的電壓的時候，可以輸出數(shù)字信號，直接將信號輸入到單片機芯片，避免了復雜的模數(shù)轉換電路，易于實現(xiàn)，同時提高了整個電路的工作效率。 車實現(xiàn)避障的方法有很多，比如激光導航、尋跡導航等，為了使小車能夠既實現(xiàn)避障的功能，又能夠實現(xiàn)走八字形的路線，我們在比賽場地的適當?shù)奈恢貌贾昧藞A弧形的導航物，導航物上畫有黑白相間的條紋，提高紅外線漫反射光電開關的探測靈敏度。 了防止探測器之間信號的相互干擾，左中右三個光電開關在工作的時候采用“時分復用”的思想。也就是說，在每一個相同的時間間隔內，光電開關在單 片機的控制下，有且只有一個處于工作狀態(tài)。這樣，能夠有效地避免其中一個探測器發(fā)出的紅外光，經(jīng)障礙物反射之后被其他兩個探測器接收到，而引起誤判。 個系統(tǒng)分開供電，可以有效地避免各模塊之間電信號的相互干擾，保證了各模塊電路正常工作；另外一方面，當電路中的某個模塊出現(xiàn)故障的時候，也可以有效地防止其他模塊的電路受到損壞。 于比賽的勝負是根據(jù)小車最后的載重量來衡量的，所以要求小車要有比較好的載重能力，而影響小車載重能力的關鍵因素是直流電機的扭力，因此我們選用了扭力為20過理 論的計算和實際測試，這種直流電機最大能夠承載 4千克左右的重物。 流電機通過特定的驅動模塊來驅動，由于驅動模塊允許的電壓范圍比較寬，所以即使太陽能光電池的輸出電壓會隨著光照強度而很不穩(wěn)定，但是并不需要復雜的穩(wěn)壓電路，可以由驅動模塊智能地控制。 5 存在問題和改進方法 陽能電池板太重。由于我們所訂購的太陽能電池板是已經(jīng)封裝好的成品，商家為了保護太陽能電池，在表面上封裝了一層很厚的鋼化玻璃。這樣，整部小車自身的重量將很大，嚴重地影響了小車運載重物的能力。 們設計 的小車是采用前輪驅動，車體的左右兩邊各有一個車輪，這樣設計的目的是為了使小車能夠在單片機的控制下，實現(xiàn)轉動的功能。雖然直流電機是通過驅動模塊來驅動的，但是由于各方面的原因，左右兩個電機的性能參數(shù)不可能是一模一樣的，總會在一定的程度上存在著差異，這樣將嚴重地影響小車的直線行駛。 們在車體的前方只設置了三個紅外漫反射光電開關，如果光電開關檢測區(qū)域的角度太小，將會出現(xiàn)盲區(qū)，引起誤判，或者無法避開障礙物。 于太陽能電池板重量太重的問題，我們考慮過訂購薄膜型的太陽能電池板，重量會大大地減少，但是價格太高；另外，我們也考慮過將上面的鋼化玻璃給卸下來，但是擔心弄壞了電路；最后我們用扭矩比較大的電機來驅動。 件問題是個比較麻煩的問題，找到兩個性能完全一樣的直流電機是不現(xiàn)實的，我們只能盡量找性能最接近的，然后設法通過驅動電路來盡可能的消除它們之間的差異。 于光電開關的選擇，我們選擇了發(fā)散角比較適中的紅外漫反射光電開關，以避免出現(xiàn)盲區(qū)，使小車能夠順利完成避障的功能。 6 結論與展望 我們設計的智能避障搬運小車綜合了光學、電學、力學、機械等多方面的知識，是各分支學 科理論知識在實際中的一次綜合應用，同時也體現(xiàn)了我們的創(chuàng)新能力、動手能力等。 小車是針對比賽環(huán)境來設計的，制作簡單，成本低，性價比高，它的各種性能參數(shù)都