基本信息
- 项目名称：
- 基于太阳能电池的移动机器人能源自治系统研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 利用太阳能电池来解决机器人的能源自治问题；利用研制的二自由度太阳自动跟踪平台及其相应控制系统，实现对太阳的自动跟踪，保证机器人移动时太阳能电池板始终与光线垂直，实现太阳能最大程度的转化为电能；利用充、放电系统实现能源自治，即移动机器人闲时储能和忙时根据移动机器人的需要稳定供给能源。为实现移动机器人完全智能化的问题打下基础。
- 详细介绍：
- 本设计以步进电机为驱动元件，自行设计的二自由度机构为跟踪平台，它在水平和高度两个方向的跟踪范围满足设计的要求。硬件电路部分采用光敏电阻比较法，根据光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿的下方，如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接受到的光照强度相同，此时它们的阻值完全相等，步进电机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接受光强多的光敏电阻阻值减小，驱动步进电机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。南北方向上与上相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。 利用场效mos管的开关作用和防反冲电路实现对充电过程的自动控制和电冲击保护，同时利用场效mos管的导能电阻作为电流检测电阻，通过AD转换模块和单片机实现对放电过程的自动控制
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 利用太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，在忙时可以用蓄电池中的电能供给小车运动，闲时可以给蓄电池充电，从而解决了机器人在野外环境作业时实现能源自治的问题，避免了活动范围小和更换电源的限制。同时为了提高光电转换效率，电池板必须能够在大范围内实现对太阳的跟踪，始终可以使光垂直照射太阳能电池板 本设计的创新点是小车的能源可以实现自治，利用太阳能这种清洁能源提供电能，在跟踪太阳装置上可以实现大角度跟踪，同时利用场效MOS管等实现对充放电过程的自动控制 本设计的技术关键是：①对太阳实现大范围的自动跟踪②实现对电池充放电过程的自动控制 主要技术指标：太阳能电池板水平旋转角度360°，俯仰角度180°，峰值电压17.5V，蓄电池电压12V，容量1300mAh，步进电机和驱动工作电压12V，单片机型号AT89S52，数模转换芯片型号ADC0809，光敏电阻型号GL5516
科学性、先进性
- 机器人作为人体力的延伸，是当今最为先进，发展最为活跃的一门学科，要实现机器人的完全智能化自治，除了行为自治外，还需要能源自治，从能源角度讲，移动机器人要真正实现行为自治，不但需要有效合理的利用自身能源，而且需要能够从环境中提取能量，这也是移动机器人实现远程任务需解决的关键技术之一，目前国内外的研究大多集中在机器人仿人的行为自治方面，多通过电缆或者各种充电电池提供能源，没有自己从环境中提取能量的能力，利用电缆限制了活动范围，利用充电电池有供电时效性问题，现阶段机器人与环境之间能量自主交换方面的研究较少，凸显其必要性和紧迫性。本设计着眼于能量的自主供给方面，用小车代替移动机器人，利用太阳能电池将太阳能转换为电能储存在蓄电池中，利用光敏传感器收集太阳相对位置的信号，在单片机通过控制步进电机的水平和垂直的转动实现对太阳位置的大角度跟踪，使太阳直射电池板，提高光电转换效率，同时利用单片机控制充放电过程，使充满电时能够自动终止充电。
获奖情况及鉴定结果
- 在2011年5月在“挑战杯”2011年河北工业大学大学生课外学术科技作品竞赛中获得二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 实物产品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术优势：太阳能资源极其丰富，属于清洁绿色能源，是国际上开发利用的重要方向之一。基于太阳能的智能移动机器人能源自治技术研究与应用，国内外都刚刚起步。 技术特点：(1)以太阳能为移动机器人能源的供给。以步进电机驱动的二自由度跟踪平台和光敏电阻检测太阳位置。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。 (2)设计移动机器人蓄电池冲放电系统，闲时利用太阳能电池对蓄电池充电，忙时蓄电池放电供给负载使用。 (3)搭建试验平台，通过太阳能电池板对太阳的水平放置和实时跟踪的两种试验，得出在移动机器人能源自治系统中，对太阳的实时跟踪是对太阳能的有效利用。 本作品可有效解决露天危险作业环境中移动机器人的能源自治问题，摆脱使用电缆时对活动范围的限制和解决充电电池供电的时效性问题，实现有效合理利用纯净无污染的廉价太阳能，拓宽机器人的应用范围，提高其智能化程度，可以改善人们的劳动环境，降低劳动强度，具有重要的社会意义，科学价值和实际价值
同类课题研究水平概述
- 机器人在国际上已有40多年的发展历史，现在已经开始实实在在地走进了人们的生活。目前，各国科学家都在致力于研制具有完全自主能力，拟人化的智能机器人。随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的智能化提出了更高的要求。实现机器人的完全智能化自治，除了其行为自治外，还需要能源自治。从能源角度讲，移动机器人要真正实现行为自治，不但需要有效合理的利用其自身能源，而且需要能够从环境中提取能量，这也是移动机器人实现远程任务需要解决的关键技术之一。目前国内外的研究大多集中在机器人仿人的行为自治方面，基本上都是基于各种传感器技术的机器人与环境的信息交换及其相关技术，当前的机器人多是通过电缆或者各种充电电池提供能源，它们没有自主从环境获取能量的能力。利用电缆供电，对于移动机器人限制了其活动范围；利用各种充电电池供电，虽然没了活动范围的限制，却有供电的时效性等方面的限制。现阶段机器人与环境之间能量自主交换方面的研究较少。所以，进行机器人的能源自治研究，凸现了其必要性和紧迫性。从研究现状来看，国内外学者对机器人能源自治的研究主要集中在以下几个方面。1化学能的研究，2生物能的研究，3 激光的研究，4 肌肉组织的研究，5 太阳能的研究 化学能是利用燃料电池中的化学反应进行电流的输出，受到了化学制剂等方面对其限制；生物能是一门新兴的能源，正在进行研究；激光与肌肉组织固然可作为机器人的一种能源，但其发展应用的前景受到成本，性能等方面的制约，不是今后长期可依赖的可靠能源。而太阳能以其长久性，再生性，无污染等优点备受人们的青睐，所以太阳能将会成为较为重要的动力源，开发利用太阳能是人类社会长期追求的目标，尤其对于石化，炼油等企业的危险作业环境下的移动机器人，太阳能是比较合适的选择。
