基于GPS导航的太阳能机器车系统研究

【摘要】：目前，机器车(轮式机器人)是比较前沿的高新技术，涉及到电子技术﹑人工智能﹑自动控制﹑传感器技术﹑计算机技术等多个学科，也正朝着更高级更智能的方向发展。太阳能电池是太阳能机器车正常运行的必要组成部分，能够为机器车源源不断的提供清洁能源。本文重点对基于GPS导航的太阳能机器车的自主智能巡航控制系统、电机控制系统、DGPS/图像匹配方法组合导航系统、太阳能供电系统进行研究。 论文分别介绍了机器车的硬件设计和软件设计，硬件平台采用意法半导体公司的STM32F103RBT6芯片作为核心处理器，并采用模块化设计，包括自主智能巡航模块、GPS导航模块、电机控制模块、液晶显示和电源模块。软件部分主要是对机器车各个硬件模块的驱动程序进行设计，并对DGPS/图像匹配组合导航系统和太阳能最大功率点跟踪算法进行分析仿真。 在DGPS/图像匹配组合导航系统中，对位置差分、载波相位差分算法、组合导航原理进行分析，并对SIFT算法进行介绍和改进，提高了其实时性。组合导航系统中采用卡尔曼滤波，评估导航参数的各种误差状态，并用误差状态评估值校正系统误差，提高导航精度。 能源管理是太阳能机器车的关键技术之一，只有对能源分配进行最优化管理，才能最有效的发挥太阳能能量的功效，因此对太阳能最大功率点跟踪(MPPT)算法的研究十分重要。本文在分析太阳能电池数学模型的基础上采用干扰观测法(PO)对太阳能最大功率点跟踪算法进行仿真。干扰观测算法简单，易于实现，被广泛用于太阳能最大功率点跟踪研究上。这部分分别对太阳能电池模块﹑最大功率点跟踪模块﹑脉宽调制(PWM)模块﹑降压式转换器模块分别进行仿真，最后将这些模块集成组合成太阳能最大功率点跟踪仿真模型，得到仿真结果并从结果中得出扰动观测法能准确跟踪太阳能电池最大功率点的结论。 【关键词】：机器车 软硬件设计 DGPS/图像匹配组合导航 太阳能最大功率点跟踪
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP242;P228.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究的目的和意义9-10
• 1.2 相关技术国内外研究及发展状况10-12
• 1.2.1 太阳能技术国内外研究及发展状况10-11
• 1.2.2 移动机器人技术国内外研究及发展状况11-12
• 1.3 主要研究内容和结构安排12-14
• 1.3.1 主要研究内容12
• 1.3.2 论文结构安排12-14
• 第2章 机器车的硬件系统设计14-34
• 2.1 机器车车体结构的选择14
• 2.2 机器车运动控制系统硬件设计14-16
• 2.2.1 各个模块的功能划分15-16
• 2.3 微控制器模块16-18
• 2.3.1 微控制器的选择16-17
• 2.3.2 主控器的最小系统电路17-18
• 2.4 自主智能巡航控制系统模块18-21
• 2.4.1 超声波传感器18-20
• 2.4.2 红外光电传感器20-21
• 2.5 电机控制系统模块21-24
• 2.5.1 驱动电机的选择21-22
• 2.5.2 转速控制方法22-23
• 2.5.3 电机驱动模块23-24
• 2.6 导航定位模块24-27
• 2.7 液晶显示模块27-29
• 2.8 太阳能供电模块系统设计29-33
• 2.8.1 太阳能供电系统总体结构设计30
• 2.8.2 太阳能供电系统各个部分的功能30-31
• 2.8.3 蓄电池及充放电控制器31-32
• 2.8.4 电源变换 DC/DC 电路32-33
• 2.9 本章小结33-34
• 第3章 机器车系统软件设计34-44
• 3.1 软件开发平台介绍34-35
• 3.2 机器车系统总体软件设计35
• 3.3 自主智能巡航模块软件设计35-36
• 3.3.1 超声波传感器模块软件设计36
• 3.3.2 红外光电传感器模块设计36
• 3.4 PWM 驱动电机控制系统模块软件设计36-38
• 3.5 TFTLCD 液晶显示模块38
• 3.6 组合导航模块软件设计38-43
• 3.6.1 NEO-6M GPS 接收机介绍38-39
• 3.6.2 GPS 信息格式39-41
• 3.6.3 GPS 定位功能检测41-42
• 3.6.4 GPS 数据解析过程42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第4章 DGPS/图像匹配技术组合导航系统44-56
• 4.1 DGPS（差分全球定位系统）分类44-46
• 4.1.1 位置差分44
• 4.1.2 伪距差分和载波相位差分44
• 4.1.3 载波相位和伪距差分算法44-46
• 4.2 DGPS 与图像匹配组合导航原理46-47
• 4.3 组合导航 Kalman 滤波方法47-48
• 4.3.1 输出校正48
• 4.3.2 反馈校正48
• 4.4 图像匹配方法48-53
• 4.4.1 标准 SIFT 算法49-50
• 4.4.2 改进的 SIFT 算法50-51
• 4.4.3 标准 SIFT 算法和改进的 SIFT 算法对比51-53
• 4.5 组合导航仿真结果分析53-54
• 4.6 本章小结54-56
• 第5章 太阳能最大功率点跟踪(MPPT)仿真研究56-64
• 5.1 太阳能电池的数学模型56-57
• 5.2 太阳能电池的伏安特性57-58
• 5.3 最大功率点跟踪算法58-59
• 5.4 太阳能电池 MPPT 控制仿真59-62
• 5.4.1 太阳能电池的仿真模块59-60
• 5.4.2 最大功率点跟踪的仿真模型60
• 5.4.3 脉宽调值(PWM)仿真模型60-61
• 5.4.4 降压式转换器仿真模型61-62
• 5.4.5 太阳能电池系统 MPPT 控制的仿真模型62
• 5.5 仿真结果和分析62-63
• 5.6 本章小结63-64
• 第6章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64
• 6.2 展望64-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士期间发表论文情况69-70
• 致谢70-71
• 附录71-73

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