太阳能小车（追光机器人）太阳能小车（追光机器人）简介本项目通过安装两套太阳能引擎，组成了一台以太阳能为动力的小车。而这个太阳能小车所使用的太阳能引擎的核心是一种“太阳能脉动充放电控制电路”，只不过说本项目机器人是双轮驱动的所以采用了两组这样的电路系统。由于本项目的太阳能引擎在安装布局上做了一些设计，可以实现一个基本的追光功能即可以自动顺着光源的方向前进。基本原理基本原理 图示为一个光动能车的成品，图示为一个光动能车的成品，前面左右两边的两个轮子是前面左右两边的两个轮子是主动轮，各接一个电机作为主动轮，各接一个电机作为动力；后轮是从动轮动力；后轮是从动轮(由于时由于时间关系后轮由一铁丝代替，间关系后轮由一铁丝代替，同学们制作时用带通孔的滚同学们制作时用带通孔的滚珠代替后轮珠代替后轮)，起到平衡的作，起到平衡的作用；上方为两个太阳能电池用；上方为两个太阳能电池板，为小车提供动力；车体板，为小车提供动力；车体由一个面包板组成，同时控由一个面包板组成，同时控制电路也焊接在面包板上。制电路也焊接在面包板上。运动机理运动机理通过控制前面两个轮子的转动通过控制前面两个轮子的转动方向就可以控制整个机器人行方向就可以控制整个机器人行进的方向：进的方向： 1、左右两个前轮都向前转，、左右两个前轮都向前转，则机器人向则机器人向“正前方正前方”直线前进；直线前进； 2、左右两个前轮都向后转，、左右两个前轮都向后转，则机器人向则机器人向“正后方正后方”直线倒退；直线倒退； 3、左前轮向后转，右前轮向、左前轮向后转，右前轮向前转，则机器人将以后轮为轴前转，则机器人将以后轮为轴心逆时针转动，即实现向心逆时针转动，即实现向“右右后方后方”转弯倒退；转弯倒退； 4、左前轮向前转，右前轮向、左前轮向前转，右前轮向后转，则机器人将以后轮为轴后转，则机器人将以后轮为轴心顺时针转动，即实现向心顺时针转动，即实现向“左左后方后方”转弯倒退。转弯倒退。控制原理控制原理一块天阳能电池板通过一套控制电路来控制一台电机单向转动，我们称之为一套系统。如果我们将两套系统安装在一台车上，那么这台车的两个轮子就分别受控于两块太阳能电池板，这样通过改变太阳能电池板在车上的安装姿态，就可以使两块太阳能电池板分别接收到不同强度的光照，这样两台电机的转速就会有所不同（接收到较强光线的太阳能电池板所控制的电机的转速较快），通过这个控制原理，本太阳能小车可以实现追逐光源的运动。因为本项目机器人是左右两组太阳能电池板，分别控制交叉位置左右两边的电机以驱动小车前进，即：左边的太阳能电池板控制右边的电机转动，而右边的太阳能电池板控制左边的电机转动。之所以这样交叉位置控制，可以确保机器人基本上是沿着光源的方向近乎直线的前进：左边受光则把右边身体摆过来，然后变成右边受光，再把左边身体摆过来，如此往复，变成左右摇摆身体“大摇大摆”的前进方式。 另外，可以通过调整两组太阳能电池板的支架改变太阳能电池板的角度，从而得到不同的运行效果。顺光顺光前进前进逆光前进逆光前进另外，我们可以自行设计两块太阳能电池板的安装姿态，另外，我们可以自行设计两块太阳能电池板的安装姿态，另外，我们可以自行设计两块太阳能电池板的安装姿态，另外，我们可以自行设计两块太阳能电池板的安装姿态，以实现多种多样的小车运动方式，大家可以自己设计太以实现多种多样的小车运动方式，大家可以自己设计太以实现多种多样的小车运动方式，大家可以自己设计太以实现多种多样的小车运动方式，大家可以自己设计太阳能电池板的安装方式以及小车的结构，看看哪种方式阳能电池板的安装方式以及小车的结构，看看哪种方式阳能电池板的安装方式以及小车的结构，看看哪种方式阳能电池板的安装方式以及小车的结构，看看哪种方式小车可以实现最佳的直线速度和巡光的小车可以实现最佳的直线速度和巡光的小车可以实现最佳的直线速度和巡光的小车可以实现最佳的直线速度和巡光的效果（光源位置效果（光源位置效果（光源位置效果（光源位置改变）。改变）。改变）。改变）。电路原理电路原理本项目机器人使用了两套完全相同的系统，由于左右两个轮子的驱动电路是完全一样的，这里只以其中的一组电路为例进行说明。基本原理如下： 1）太阳能电池板给电容充电，电容两端的电压不断上升； 2）当电路电压达到LED二极管的导通电压（2V左右）时，LED二极管导通； 3）三极管9012的基极从导通的LED二极管获得足够的导通电压，则三极管9012导通； 4）三极管9012导通后，又使三极管9014的基极获得足够的导通电压，则三极管9014导通； 5）三极管9014导通后，电机获得电流开始转动； 6）电机转动，消耗电容中存储的电能，电路电压下降； 7）当电路电压下降到低于LED二极管的导通电压时，LED二极管截止； 8）虽然三极管9012的基极失去了来自LED的导通电压，但是由于此时三极管9014已经导通，导通后的电流除了提供给电机转动之外，还通过电阻分流了一部分重新回到三极管9012的基极（形成一个循环），即三极管的基极还是有足够的导通电压； 9）当电机继续转动消耗电容的电能时，电路电压进一步下降，则即便三极管9014导通后回流给三极管9012基极的电压也无法保证三极管9012继续导通（循环被破坏），则两个三极管都截止，电机停止转动； 10）电容重新充电，继续重复上面的各环节。简单的说，即：太阳能电池对电容充电，当充电量达到由LED二极管设置的充电上限后，则电路开始瞬间放电提供给电机转动；虽然电机转动消耗电能使电压下降至低于LED二极管的下限，但是由于电路存在一个导通循环的机制，仍然会继续放电让电机转动，能够尽可能的把电容中存储的电能都消耗掉；消耗完电容中的电能后，重新由太阳能电池对其进行充电如此循环往复。 也可以这样理解：太阳能电池对电解电容进行缓慢充电（太阳能电池的电流比较小），充电达到上限后对电机进行瞬间放电（电机运转所需的电流比较大）；放电停止的下限比较低，可以比较彻底的把充电的电量消耗完。准备工作准备工作 本项目需要的元器件主要包括：太阳能电池板（输出电压：2-9V；输出电流40mA），电容（1000F），电阻（220），三极管（9012；9014），发光二极管（导通电压约为2V），导线，电机（驱动电压2V；驱动电流30mA），面包板（5171），轮子（矿泉水瓶盖），螺丝，垫片，胶水，双面胶等等。各种零件制作制作过程过程-控制电路控制电路视频电容有2个引脚，其中长引脚为电容的正极（电流由此流入），短引脚为电容的负极（电流由此流出）。首先将20个电容按照极性排列在电路板上（同极性位于同侧）。将20个电容都焊接在电路板上。将发光二极管、三极管、电阻焊接在两排电容的中间位置。目前为止不要剪掉目前为止不要剪掉电子元件的引脚。电子元件的引脚。在所有元件都固定好后，开始按照电路图对元件进行焊接，形成两套系统。说明：对于9012和9014来说，型号面向自己时，下方的三个引脚分别为发射极、基极、集电极。三极管是一种用于电流放大的原件，只要我们在三极管的基极和发射极之间加上一个较小的电压，并在基极和发射极之间产生一个较小的电流，那么在三极管的发射极和集电极之间就会产生比较大的电流，图示E为发射极，B为基极，C为集电极，而较大电流和较小电流的比值，就是三级管的放大倍数。这样我们就可以用小电流控制大电流，也就是说，当我们不施加小电流的时候，大电流也不会产生，当我们施加不同数值的小电流的时候，将小电流的数值乘以放大倍数所得的数值，就是我们在E和C之间得到的大电流的数值。9012的放大倍数为30-90 。9014的放大倍数为20-90 。与温度有很大关系。三极管分为PNP和NPN型，9012为PNP型，9014为NPN型，（两种分别参照电路图，注意电流方向和电压方向）。在两块太阳能电池板的正负极分别焊接上两根导线，在4排电容上面贴上双面胶，将太阳能电池板粘贴在双面胶上，而焊接在两块太阳能电池板正负极的根导线通过面包板上的孔穿到面包板的另一侧。至此，太阳能车的控制电路就做好了。至此，太阳能车的控制电路就做好了。下一步将电机和轮子安装在一起，下一步将电机和轮子安装在一起，将矿泉水瓶盖按下图所示打两个孔。将矿泉水瓶盖按下图所示打两个孔。注：（注：（包括一个包括一个通过中心的圆孔，通过中心的圆孔，和一个距离中心和一个距离中心2mm的矩形孔的矩形孔。矩形孔与电机输矩形孔与电机输出端配合，使电出端配合，使电机输出力矩。）机输出力矩。）将螺栓依次穿过矿泉水瓶盖、两个垫片后，旋进电机输出轴的中心孔内。用胶水分别将电机粘接在电路板的两侧。按照电路图，分别将左侧系统的输出端焊接在右侧电机的两个输入端，将右侧系统的输出端接在左侧电机的两个输入端。用铁丝做成如下形状。（俯视）（俯视）（左视）（左视）把铁丝用胶水粘接在车轮的另一端，起到支撑作用。这样，小车就全部完成了这样，小车就全部完成了这样，小车就全部完成了这样，小车就全部完成了在焊接的时候大家要注意电子元件的摆放方式，较好的摆放方式可以使焊接的时候导线有较少的交叉，或者不交叉，如果遇到交叉部分，大家可以在上下两根导线之间插入一些绝缘的物体，确保两根导线不会发生短路。调试调试特别注意特别注意，本项目的太阳能机器人一般只能在太阳下才能运行，而在普通灯光下由于亮度不足将无法正常运行。如果要在室内测试太阳能机器人，由于光线不足就需要借助特别的灯光可以选择100瓦的白炽灯以代替阳光。（注意：不能用一般日光灯或是节能灯，因为其亮度无法让太阳能电池有足够的输出功率）。在白炽灯下，进行电路测试。正常效果，马达会每隔几秒钟转动几下。调整白炽灯与太阳能电池板的距离，查看马达在光线不同时的效果光线越亮，马达每两次转动的间隔就会越短，如果灯泡贴着太阳能电池板甚至马达会持续转动。 如果电路连接正常，则在白炽灯下电机都会转动。 正常情况下，左右两边电机都是向前转动的，即小车是前进的。假如有发生电机向后转动的情况，则把该电机的输出端的导线交换过来插接即可。四四 常见问题常见问题 正常情况下，在阳光下测试，电机会有节奏的转一阵、停一阵，注意观察还会发现在电机开始转动的瞬间LED会有一点微光闪动。针对应用当前的太阳能脉动充放电控制电路制作太阳能动力机器人，以下列出可能存在的问题以及解决的方法：1、电机转一下就停止，电路不再触发。、电机转一下就停止，电路不再触发。 1）电机内阻太大：如果是小电流的电机，因为内阻比较大，电解电容充电分压在LED两侧的电压较低不足以让LED导通，解决的办法是可以尝试在电机两端并联一个几十欧姆的电阻。2）如果是在强烈阳光下存在这个问题，则是太阳能电池板的电压太高以及电机功率较小的原因：太阳能电池板电压高，而电机功率小而消耗的电流也小，电机放电的速度赶不上太阳能充电的速度，导致三级管一旦导通后就无法截止，解决的办法是可以尝试在NPN三级管基极与PNP三极管集电极之间连接一个1k左右的电阻，使三级管导通的条件提高；另外也可以类似第一种情况在电机两端并联一个几十欧姆的电阻，也就是说可以加大放电时的电流，加速放电。 2、电机一直转动，没有节奏性的转停。、电机一直转动，没有节奏性的转停。 1）太阳能电池板的电压太高：尝试多串联一个LED以提高电路充电阈值上限。 3、电机不转，、电机不转，LED也不亮。也不亮。1）太阳能电池板的电压太低：至少要求太阳能电池板额定最高电压能够达到3V；2）光线不足：需要在足够的阳光下或者白炽灯下进行测试；3）电路错误：检查电路焊接是否正确。4、LED常亮，电路不触发。常亮，电路不触发。电路错误：检查电路焊接是否正确。5、电机嘶嘶响，但是不转。、电机嘶嘶响，但是不转。1）储能电解电容容量过大：尝试减小储能电解电容的容量，根据经验一般耐压高、体积大的电解电容用在这个机器人电路上效果最好。 六、项目总结六、项目总结 通过这个项目，我们了解到： 1、了解追光机器人的运动机理和控制原理；2、进一步熟悉模块化的思想在机器人开发中的应用；