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基于GPS导航的太阳能机器车系统研究

作　者: 苏敏
导　师: 王琪
学　校: 南昌航空大学
专　业: 通信与信息系统
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
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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(P&O)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。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
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

基于GPS导航的太阳能机器车系统研究

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