基本信息
- 項目名稱：
- 基于太陽能電池的移動機器人能源自治系統(tǒng)研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 利用太陽能電池來解決機器人的能源自治問題；利用研制的二自由度太陽自動跟蹤平臺及其相應(yīng)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤，保證機器人移動時太陽能電池板始終與光線垂直，實現(xiàn)太陽能最大程度的轉(zhuǎn)化為電能；利用充、放電系統(tǒng)實現(xiàn)能源自治，即移動機器人閑時儲能和忙時根據(jù)移動機器人的需要穩(wěn)定供給能源。為實現(xiàn)移動機器人完全智能化的問題打下基礎(chǔ)。
- 詳細介紹：
- 本設(shè)計以步進電機為驅(qū)動元件，自行設(shè)計的二自由度機構(gòu)為跟蹤平臺，它在水平和高度兩個方向的跟蹤范圍滿足設(shè)計的要求。硬件電路部分采用光敏電阻比較法，根據(jù)光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，將兩個完全相同的光敏電阻分別放置于一塊電池板東西方向邊沿的下方，如果太陽光垂直照射太陽能電池板時，兩個光敏電阻接受到的光照強度相同，此時它們的阻值完全相等，步進電機不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接受光強多的光敏電阻阻值減小，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同。南北方向上與上相同。其優(yōu)點在于控制較精確，且電路也比較容易實現(xiàn)。 利用場效mos管的開關(guān)作用和防反沖電路實現(xiàn)對充電過程的自動控制和電沖擊保護，同時利用場效mos管的導(dǎo)能電阻作為電流檢測電阻，通過AD轉(zhuǎn)換模塊和單片機實現(xiàn)對放電過程的自動控制
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中，在忙時可以用蓄電池中的電能供給小車運動，閑時可以給蓄電池充電，從而解決了機器人在野外環(huán)境作業(yè)時實現(xiàn)能源自治的問題，避免了活動范圍小和更換電源的限制。同時為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，電池板必須能夠在大范圍內(nèi)實現(xiàn)對太陽的跟蹤，始終可以使光垂直照射太陽能電池板 本設(shè)計的創(chuàng)新點是小車的能源可以實現(xiàn)自治，利用太陽能這種清潔能源提供電能，在跟蹤太陽裝置上可以實現(xiàn)大角度跟蹤，同時利用場效MOS管等實現(xiàn)對充放電過程的自動控制 本設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵是：①對太陽實現(xiàn)大范圍的自動跟蹤②實現(xiàn)對電池充放電過程的自動控制 主要技術(shù)指標：太陽能電池板水平旋轉(zhuǎn)角度360°，俯仰角度180°，峰值電壓17.5V，蓄電池電壓12V，容量1300mAh，步進電機和驅(qū)動工作電壓12V，單片機型號AT89S52，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片型號ADC0809，光敏電阻型號GL5516
科學(xué)性、先進性
- 機器人作為人體力的延伸，是當(dāng)今最為先進，發(fā)展最為活躍的一門學(xué)科，要實現(xiàn)機器人的完全智能化自治，除了行為自治外，還需要能源自治，從能源角度講，移動機器人要真正實現(xiàn)行為自治，不但需要有效合理的利用自身能源，而且需要能夠從環(huán)境中提取能量，這也是移動機器人實現(xiàn)遠程任務(wù)需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前國內(nèi)外的研究大多集中在機器人仿人的行為自治方面，多通過電纜或者各種充電電池提供能源，沒有自己從環(huán)境中提取能量的能力，利用電纜限制了活動范圍，利用充電電池有供電時效性問題，現(xiàn)階段機器人與環(huán)境之間能量自主交換方面的研究較少，凸顯其必要性和緊迫性。本設(shè)計著眼于能量的自主供給方面，用小車代替移動機器人，利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲存在蓄電池中，利用光敏傳感器收集太陽相對位置的信號，在單片機通過控制步進電機的水平和垂直的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對太陽位置的大角度跟蹤，使太陽直射電池板，提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時利用單片機控制充放電過程，使充滿電時能夠自動終止充電。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 在2011年5月在“挑戰(zhàn)杯”2011年河北工業(yè)大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得二等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物產(chǎn)品，現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)優(yōu)勢：太陽能資源極其豐富，屬于清潔綠色能源，是國際上開發(fā)利用的重要方向之一?；谔柲艿闹悄芤苿訖C器人能源自治技術(shù)研究與應(yīng)用，國內(nèi)外都剛剛起步。 技術(shù)特點：(1)以太陽能為移動機器人能源的供給。以步進電機驅(qū)動的二自由度跟蹤平臺和光敏電阻檢測太陽位置。其優(yōu)點在于控制較精確，且電路也比較容易實現(xiàn)。 (2)設(shè)計移動機器人蓄電池沖放電系統(tǒng)，閑時利用太陽能電池對蓄電池充電，忙時蓄電池放電供給負載使用。 (3)搭建試驗平臺，通過太陽能電池板對太陽的水平放置和實時跟蹤的兩種試驗，得出在移動機器人能源自治系統(tǒng)中，對太陽的實時跟蹤是對太陽能的有效利用。 本作品可有效解決露天危險作業(yè)環(huán)境中移動機器人的能源自治問題，擺脫使用電纜時對活動范圍的限制和解決充電電池供電的時效性問題，實現(xiàn)有效合理利用純凈無污染的廉價太陽能，拓寬機器人的應(yīng)用范圍，提高其智能化程度，可以改善人們的勞動環(huán)境，降低勞動強度，具有重要的社會意義，科學(xué)價值和實際價值
同類課題研究水平概述
- 機器人在國際上已有40多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)在已經(jīng)開始實實在在地走進了人們的生活。目前，各國科學(xué)家都在致力于研制具有完全自主能力，擬人化的智能機器人。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對機器人的智能化提出了更高的要求。實現(xiàn)機器人的完全智能化自治，除了其行為自治外，還需要能源自治。從能源角度講，移動機器人要真正實現(xiàn)行為自治，不但需要有效合理的利用其自身能源，而且需要能夠從環(huán)境中提取能量，這也是移動機器人實現(xiàn)遠程任務(wù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)外的研究大多集中在機器人仿人的行為自治方面，基本上都是基于各種傳感器技術(shù)的機器人與環(huán)境的信息交換及其相關(guān)技術(shù)，當(dāng)前的機器人多是通過電纜或者各種充電電池提供能源，它們沒有自主從環(huán)境獲取能量的能力。利用電纜供電，對于移動機器人限制了其活動范圍；利用各種充電電池供電，雖然沒了活動范圍的限制，卻有供電的時效性等方面的限制?，F(xiàn)階段機器人與環(huán)境之間能量自主交換方面的研究較少。所以，進行機器人的能源自治研究，凸現(xiàn)了其必要性和緊迫性。從研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外學(xué)者對機器人能源自治的研究主要集中在以下幾個方面。1化學(xué)能的研究，2生物能的研究，3 激光的研究，4 肌肉組織的研究，5 太陽能的研究 化學(xué)能是利用燃料電池中的化學(xué)反應(yīng)進行電流的輸出，受到了化學(xué)制劑等方面對其限制；生物能是一門新興的能源，正在進行研究；激光與肌肉組織固然可作為機器人的一種能源，但其發(fā)展應(yīng)用的前景受到成本，性能等方面的制約，不是今后長期可依賴的可靠能源。而太陽能以其長久性，再生性，無污染等優(yōu)點備受人們的青睞，所以太陽能將會成為較為重要的動力源，開發(fā)利用太陽能是人類社會長期追求的目標，尤其對于石化，煉油等企業(yè)的危險作業(yè)環(huán)境下的移動機器人，太陽能是比較合適的選擇。
