太阳能避障小车的设计与仿真

　摘要：太阳能汽车已经成为研究领域的一个重要分支的智能设备。在军队,危险的操作和服务应用在许多场合,如需要太阳能汽车实时接收控制命令通过无线方式,希望速度、方向和移动的移动。尤其在近些年，随着我国工业的不断发展，太阳能小车广泛应用在户外救援、物流、生产等多领域，在我国的工业体系中占据着重要的地位。

本文的研究课题是设计太阳能避障小车，搭建太阳能避障小车硬件结构机械平台，包括整体的机械结构设计、并对太阳能避障小车进行三维建模；设计和制作硬件电路驱动控制系统的设计，包括电气控制电路、电气元件的选型等，从而实现太阳能小车的避障功能。

　关键词：太阳能避障小车；结构设计；控制系统；三维建模；仿真

　1绪论

　　1.1研究背景与意义

太阳能汽车类型也很多,对普通太阳能汽车,不能在任何位置和姿态,和全面的可以使用太阳能汽车车轮定位和定位功能,实现在二维平面上从当前位置到任何方向不需要车身姿态变化,在某些情况下具有明显的优势;如在一个相对狭窄的工作或拥挤的地方,全面太阳能汽车由于其零回转半径可以灵活自由旅行。此外,在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪,全方位的太阳能汽车可以微妙的调整他们的位置。因为全向轮太阳能汽车一般太阳能汽车不能替代的独特特征研究具有重要意义的太阳能汽车,太阳能汽车的发展趋势。

在此基础上,本文从广泛的应用出发,设计一种太阳能汽车避障,汽车可以在任何方向,灵活的运动。本文的基本环节是太阳能汽车设计,太阳能汽车平台的后续研究提供有价值的参考和有用的想法。

　1.2国内外研究现状

国外很多研究机构进行的全面发展太阳能汽车工作,设计和制造的车轮,太阳能汽车车轮的配置方案,和太阳能汽车的运动学分析等,进行了广泛的研究,形成了许多太阳能汽车产品具有不同特点。日本、X和德国是领先的。在八零年代早期,X支持的X国防部高级研究计划局,卡内基梅隆大学,卡内基梅隆大学暨)、斯坦福大学(斯坦福大学)和MIT(麻省理工学院、麻省理工学院)的学院和大学进行了研究的自主移动车辆,如X宇航局喷气推进Laboratery(JPL)也进行了研究。CMU研究所开发的太阳能汽车和Navlab Navlab-1-5系列太阳能汽车代表户外太阳能汽车的发展方向。德国联邦国防大学,在1990年代作为奔驰VaMoRs-p太阳能汽车。车身的奔驰500汽车。传感器系统包括四个小型彩色CCD摄像机,两组主动双目视觉系统;三个惯性线性加速度计传感器和角度变化。索尼公司在1999年推出,宠物机器狗Aibo是幸福,愤怒,悲伤,厌氧,惊讶和6种情绪状态。它可以爬,坐,拉伸和滚动,可以起床后立即下降。由1997年本田本田P3人形太阳能汽车代表双足行走的太阳能汽车的最高水平。它重130公斤,高1.60米,宽0.6米,最大工作时间为25分钟,步行2.0公里每小时的速度。

研究工作在太阳能汽车在中国起步相对较晚,1980年代末,国家863项目自动化自动太阳能汽车主题建立项目,开始为这一领域的研究。在国防工业和国家863计划的支持下由国防科技大学、清华大学等高校联合开发军事户外太阳能汽车7 b。8,1995年12月,通过了验收。7 b。8飞跃汽车车身被修改的,有2 d彩色摄像机,3 d激光雷达,超声波传感器。其系统结构是组织以水平为主,传统的“感知-建模-计划-实施算法,线性跟踪速度20 km/h。避障速度5-10公里/小时。

上海大学开发了一个综合障碍爬墙车,旨在洗车墙提出特殊要求,开发了一种能障碍轮式全方位移动机构——车轮组机构,这些机构的前提下保证汽车能保持姿势不变,任意方向的线性运动沿墙,或在任意角度旋转,将克服障碍,存在于一个汽车同时运行,不需要复杂的辅助机构来实现平面运动和障碍之间的转换。

哈尔滨工业大学的闫国荣hai-bing张全面研究一种新型的太阳能汽车,汽车的全向轮和光滑轮之间的区别:全方位的做一些小的滚子轴垂直于车轮的轴,滚动轮和驱动的活跃水平能真正独立于彼此之间的滑动;车轮转动,正常的小辊rim将纯滚动，如图1.1。

图1.1全方位太阳能小车

　1.3本文主要研究内容

（1）太阳能避障小车的调研背景及意义、总结国内外研究现状；

（2）整机总体方案的确定，明确设计目标，初步设定太阳能避障小车的主要技术参数，进行结构设计及驱动控制系统的设计。

（3）运用solidworks软件，对太阳能避障小车进行实体建模并正确的装配。

充分了解如今市场上太阳能小车设计的原理，以及它是如何工作的，分析常见太阳能小车的组成结构，对比它们的优缺点，为本次设计打下坚实的基础。首先根据对这些太阳能小车的调查，为本次设计草拟初步方案，根据方案，设计该太阳能小车的每一个细节结构，比如处理好太阳能小车的转向问题、太阳能小车的运动速度等一系列问题。在考虑问题时应考虑全面，为以后对该太阳能小车的研究提供可行性依据。

本论文做的是太阳能避障小车的驱动控制系统的设计及结构设计，平台建立在一辆4轮小车上，四个轮子为独立驱动，车身通过性好，并且移动方便。因两轮的转速不同，所以车轮可顺利转向。车轮轴和电机轴之间的连接方式为链条连接，这种连接方式最大的好处是节省空间，这为电机的安放提供了便利。由图可以看出太阳能小车前部和后部都有一个碰撞检测部分，此部分最大的好处就是减少太阳能小车在使用过程中的碰撞。

　2太阳能避障小车的总体设计

　　2.1设计要求

本文设计的一种太阳能避障小车。同时基于太阳能避障小车的工作条件以及市场趋势的要求提出以下几点：

(1)能够实现太阳能避障小车的全方位移动；

(2)搭建太阳能避障小车的硬件结构机械平台，完成其结构设计；

(3)设计并制作太阳能避障小车驱动控制系统的硬件电路；

(4)最终实现太阳能作为能源的快速避障移动。

　　2.2整体结构和工作原理

太阳能避障小车结构，基于对当前太阳能避障小车普遍存在的问题，本文设计了一款太阳能避障小车，主要是能对多地形的区域进行持续性移动，具有一定的越障能力，总体设计图如图2-1所示。

图2.1太阳能避障小车结构图

　　当太阳能避障小车工作时，太阳能板进行能量的采集，将光能转化为电能，储存在电池组中，电池组作为电力装置，提供太阳能避障小车所需要的能量，传感器主要包括了测距传感器和避障传感器，会自动检测与障碍物的位置及距离，然后将数据传送到工控模块进行处理，工控模块反馈出执行指令，从而电机驱动四个轮子进行行走。

　2.3各部分结构

（1）行走机构

行走机构是直接与地面接触的，太阳能避障小车的工作场地可能是平坦的地面，也有可能是崎岖不平的路面，会存在一些坎坷，因为本文在设计太阳能避障小车行走机构的时候，充分考虑到了它的越障性，此外，太阳能避障小车普遍要求重量较轻，并且还需要转向和旋转掉头等，不能太过于笨重，因而在行走机构的设计上不适合加入太多的机械转向结构，本文在行走结构的设计上采用的是麦克纳姆轮加四驱独立电机的设计，这样设计的巧妙之处在于省去了较多繁琐的机械转向结构，每个轮子可独立进行控制，此外麦克纳姆轮可以实现全方位的移动。

（2）传感器模块及工控模块

传感器主要包括了距离传感器和避障传感器，具体传感器位于太阳能避障小车的四周，位于行走装置外壳上，主要是对距离进行感知并传输给工控模块进行决策，工控模块位于太阳能避障小车行走底盘上，它是整个装置的大脑，做出所有的指令及接受远程外部指令。

　3太阳能避障小车的结构设计

　　3.1电机的选择

1、电机性能的比较

目前常用于太阳能小车驱动的三种电机及其相关有关参数如表3.1所示。

表3.1几种电机比较

综上所述，可以看出三种常见电机都有其特点，下面来具体分析每种电机。

（1）舵机

舵机这个名字可能比较陌生，但伺服马达相信你并不陌生。它可以通过信号接收机使信号调制芯片获得直流偏置电压。输出电压即是它与电位器电压的电压降。若电压差为正，则舵机正传；若电压降为负，则舵机反转；若电压降刚好等于0，则电机停止运动。这是本次设计需了解的内容。

（2）步进电机

步进电机是目前运用最广泛的电机，这种电机广泛运用于太阳能小车的驱动系统。虽然步进电机在一些场所也会出现一定的错误，但步进电机也有它的优点，就是便于控制，且不像别的电机一样还有累积误差，累计误差会影响到电机的精度。步进电机相对于其它两种电机来说，成本是最小的，也是最简单的，但步进电机却能实现电机的同步转动，这是步进电机最大的优点。

2、电机的选型与计算

经过详细的计算与仔细的分析易得，一般0.5m/s为太阳能小车的最高移动速度，100转/min为电机的最高转速。如果使用的是直流电机，必须给直流电机配备减速器，才能减少转速以及力矩对电机的影响。但若使用的是控制精度达到1.8的步进电机，太阳能避障小车就不会受到转速以及力矩的影响。

本次设计的太阳能小车必须克服摩擦力和重力才能够运动。当太阳能小车只在平面内做克服摩擦力的运动，则在计算时重力可忽略不计。若一太阳能小车的重量为20kg左右，取摩擦系数为0.5，则太阳能小车需要的总功率为：

　　因该太阳能小车有两组车轮，所以每组车轮的实际功率为25瓦。

对于单个车轮而言：

　　设车轮直径为110mm，则电机需提供的驱动转矩为：

　　查《机械设计简明手册》选择57BYG250E-0152型号电机。静转矩为1.5 NM。该电机的最大好处就是可以在一定的速度内保持恒定不变的转矩。如下图3.2所示为该型号的电机力矩与转速的关系图。

图3.2电机转矩图

　　在太阳能避障小车转向时，无外乎要注意转向速度和位置精度，而本次设计的太阳能小车，对前者的要求较低，但对后者的要求很高。根据实际情况分析，本次最主要的是计算该转向电机的静力矩。

在计算车轮的摩擦力时，假想车轮与地面为想切线接触，则每个车轮的摩擦力为：

　　由则车轮所克服的摩擦力矩为：

　　式中——单个车轮的宽度

设计车轮与地面接触总宽度为60mm，即所以克服的力矩为0.368实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为57BYG250B-SASRM-0152，静力矩为1.4

下面是所选电机的外形尺寸，如图3.2电机转矩图。

　　图3.3电机转矩图

　3.2太阳能避障小车行走机构的设计

行走机构是太阳能避障小车的主要组成部件，所以行走机构的设计与选型非常重要，本文将行走机构从车轮的旋转机结构、转向机构、车轮等三部分来进行细化设计，从而保证太阳能避障小车的稳定高效行走运行。如图3.4所示为本次所设计太阳能小车的行走机构。

图3.4太阳能小车行走机构

　　3.3车轮旋转机构的设计

本次在考虑车轮旋转机构时，主要考虑了图3.5所示的两种模型。两种模型都有各自的优点，结合实际情况综合考虑，最终确旋转机构的结构如图3.6所示。图3.5所示的结构综合了两种模型的优点。且车轮法兰与电机之间采用联轴器连接，本次设计最大的亮点就是将太阳能避障小车的车轮设计成了麦克纳姆轮，麦克纳姆轮最大的优点就是可自由的前进，后退或者平移。

为了保证车轮刚度,避免不必要的弯矩车轮电动机,可以做到有深沟球轴承径向支持。轴承外圈和内表面直接接触,对盈余进行合作。轴承内圈应该连接到电机外壳,直接连接到轴是被禁止的。

图3.5旋转部分结构图

　　图3.6车轮旋转结构三维图

　　车轮旋转部分的具体结构可分为以下几部分：电机、安装板、电机座、联轴器、车轮法兰、轴承、电机壳等。

（1）车轮旋转部分的轴向定位采用的是两个轴用弹性挡圈以及电机机壳的轴肩，电机轴外表面的径向定位采用的是电机机壳的外表面。此处选用的深沟球轴承是本次设计最好的部分，将深沟球轴承用作径向支撑，不仅能承担径向载荷，更能承担少量的轴向载荷，更能避免车轮对电机产生弯矩。

（2）电机壳的凸缘部分能用作电机的轴向定位。当电机轴与车轮同心时，电机的径向定位即完成。

（3）轴承的外圈可用于车轮的定位，然后通过联轴器与电机轴相连。在这个过程中，最重要的就是保证电机轴与车轮轴的同轴度。

（4）本次设计的太阳能避障小车的车轮，具体结构如图3.7所示。

（5）旋转部分利用转向轴与转向机构连接，才能使机器实现自由移动。

图3.7车轮旋转结构

　　3.4太阳能避障小车转向结构的设计

转向轴、轴承、机座、转向电机以及连接件组成了该机器的转向部分，本次设计，主要也是对以上几个部分进行设计。这里要注意的是，设计步骤需按以上顺序，不可颠倒。

（1）转向轴

因为转向轴的重要性，所以必须确保转向轴的强度足够，且转向轴必须具备良好的工艺性。转向轴，顾名思义，最大的作用就是转向，在转向的过程中，会受到较大的径向力与较小的轴向力，这都是设计时需考虑的问题。转向轴一般为T型，且与基座相连的一端为阶梯轴，与车轮相连的一端为圆柱形。如图3.-7所示。

如图所示，对整个机构进行受力分析，经过仔细的论证与分析，最终转向轴受到的力会被抵消。所以说，转轴的工作是可靠的。

（2）转向轴与基座联接：

转动轴与基座之间为转动副连接，且只有一个自由度，即绕连接点转动。经过分析，在机器运转过程中，会承受较大的径向力与轴向力，所以此处采用圆锥滚子轴承连接以抵消所产生的力。

（3）转向电机轴和转向轴的联接

两轴的连接一般选用联轴器。联轴器可将电机产生的转矩平稳的过渡给车轮。联轴器还可用作安全装置保护机器的运转安全，即当轴转速过大，断开联轴器，即可使电机空转。经过查表未找到合适的联轴器，所以本次设计的联轴器结构如图3.9所示。

图3.9联轴器

　　（4）转向电机与基座的联接

综合前面的总结可以得知，本转向机构还差一个驱动电机即可使转向机构正常运转。为此，考虑电机与基座的连接。此次主要考虑了整体式和剖分式两种结构。虽然剖分式与整体式相比较，定心性较差，但剖分式比组合式拥有更高的刚度。因此，选用剖分式结构。

　3.5太阳能避障小车车轮的设计

由于移动的过程中，太阳能避障小车时常需要进行旋转及转向，太阳能避障小车上有电池组及各种传感器，因而，需要保证车身具有良好的减震性与通过性。本文决定采用麦克纳姆轮作为太阳能避障小车行走机构的轮子，它的有点在于可做到全方向移动，并且缓冲减震效果较好。轮子直径为180mm。如下图3.10所示。

图3.10太阳能避障小车行走机构车轮

　　4设计太阳能避障小车控制系统硬件

控制系统的硬件设计的移动太阳能汽车设计的核心部分,包括微控制器的选择,驱动电动机的选择,电机驱动电路的设计,太阳能汽车相关传感器的选择和方法。

在这个系统中,我们使用高性能ARM单片机LPC2119微控制器,主要完成车轮驱动电机控制和传感器信号采集与处理;和主计算机系统通过串口实时沟通。电机驱动装置采用H桥驱动电路,由MOSFET、由驱动芯片IR2110驱动,驱动电机旋转。传感器系统包括三个部分:防撞超声波传感器、超声波传感器开关传感器的精度和碰撞。

　4.1系统硬件设计划分

根据太阳能小车控制系统的功能，将太阳能避障小车系统划分为以下的几个单元，如图4.1所示。

图4.1

　　根据硬件设计需要，将平台控制系统划分为以下几个部分实现：

1）LPC2119控制电路设计

2）直流电机驱动电路设计

3）传感器系统电路设计

手臂控制电路的核心部分是移动平台控制系统,它包括LPC2119应用电路、精密超声波采集电路、串行通信电路、碰撞检测电路开关。完整的命令,接收上位机的主要功能将命令解码马达驱动信号,驱动汽车完成了运动的顺序:由LPC2119实时信息获取端口采集电机转速,电机转速闭环控制的模糊PID算法;通过I2C电路和避碰超声波传感器子系统沟通、碰撞的超声波信息,并通过串口发送信息到电脑。

传感器精密超声波检测电路、碰撞检测和避碰超声波控制电路。超声波检测电路通过LPC2119 ADC端口检测精度精度超声波传感器输出模拟电压,依照决心抓住对象从汽车的精确距离;通过碰撞检测开关16日4编码信息,以确定汽车与障碍物碰撞,碰撞等做紧急治疗;防撞超声波控制电路由AT89C2051和18路/检测的超声波发射电路。完成的主要功能的循环18超声波发射和检测,并通过I2C电路会向LPC2119超声波传感器数量和回波时间。

电动机驱动装置采用H桥驱动电路,由MOSFET、LPC2119 PWM信号驱动芯片IR2110后,驱动H桥电路,驱动电机旋转。F2260直流电机与增量式光电编码器,LPC2119的捕获实时采集电机转速,从而实现速度闭环模糊PID控制。

　4.2避碰超声可知电路设计

移动太阳能汽车避障系统在这个过程中,很可能与障碍物相撞,在实验室环境中,障碍小,光的东西,即使碰撞不会损害太阳能汽车系统;如果在现实环境中,阻塞是未知的,在这种情况下碰撞,如不紧急处理,会导致太阳能汽车车身系统损坏或燃烧的汽车,我们必须避免它。

这个系统使用12路碰撞开关传感器模块的碰撞。因为碰撞主要来自方向,所以将碰撞开关均匀分布安排在移动平台上,前面和后面从碰撞前后感知信息。

碰撞开关咋结构相当于普通开关,但它有一个长的触手,触手碰撞其他物体时,关闭开关,断开连接。碰撞将地球的一端,另一端在抵抗跳到0 V+3.3 V。

到74年2片hc148构成16 4编码电路。将开关编号为:0~11,0~7开关连接到相应的输入终端,与8~11开关连接到输入得以0~3。当开关被按下,由芯片74 hc148特性,它将输出低水平的GS,通过一个和门74 hc08将两个74 hc148 GS信号从输出,并连接到外部中断0 LPC2119端口,接收中断信号后,立即LPC2119读取编码信号,通过阅读二进制数1000是7日开关碰撞可以确定,启动紧急项目。

　总结

本文详细阐述了我国太阳能避障小车的发展现状及未来的发展趋势，明确了我国目前太阳能避障小车产业与国外发达国家存在的差距，主要体现在智能化、集成化、模块化等方面。由此可见，进行太阳能避障小车的设计具有重要意义。

本文所设计的太阳能移动小车，建立在一辆4轮小车上，四个轮子为独立驱动，车身通过性好，并且移动方便。因两轮的转速不同，所以车轮可顺利转向。车轮轴和电机轴之间的连接方式为链条连接，这种连接方式最大的好处是节省空间，这为电机的安放提供了便利。由图可以看出太阳能小车前部和后部都有一个碰撞检测部分，此部分最大的好处就是减少太阳能小车在使用过程中的碰撞。

本文所设计的太阳能避障小车具有全地形、智能避障、环保的优势，对太阳能小车的研究具有重要的研究价值。

　致谢

时间过得真快,一眨眼这一段学习生活即将结束,我能够完成我的论文相关工作没有导师的帮助,家人的支持,在这一点上,我表示衷心的谢谢。

首先我要感谢我的论文指导老师在初选中,老师,她给了我在纸上全面的指导和帮助,在这里,感谢老师的帮助。同时还要感谢所有的老师帮助我这些年来,他们教会了我很多知识,也教会了我很多人技能。老师奉献、严谨的做学术研究的态度,坚持让我收益匪浅,一直激励着我,让我学到更多。谢谢你！感谢我的父母和家人,感谢你这么多年来对我学业的支持和鼓励。

最后,感谢您百忙中审阅本文的专家老师。我希望你身体健康,工作顺利,家庭幸福！

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