聶憲波,邵澤箭,鞏文文,關(guān)立強(qiáng),趙昊寧（哈爾濱理工大學(xué)　榮成學(xué)院,山東　威?！?64300）

基于單片機(jī)自動(dòng)跟隨小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作

聶憲波,邵澤箭,鞏文文,關(guān)立強(qiáng),趙昊寧
（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院,山東威海264300）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越需要一種能夠解放雙手，提高工作效率，自動(dòng)搬運(yùn)貨物的系統(tǒng)。本文介紹一種基于超聲波定位、紅外特定跟隨及單片機(jī)控制的自動(dòng)跟隨小車(chē)。該小車(chē)通過(guò)安裝在前方的3個(gè)超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)距，監(jiān)測(cè)小車(chē)與主人的位置信息，配合直射式紅外發(fā)射及接收管，反饋給單片機(jī)來(lái)調(diào)整小車(chē)的動(dòng)作和速度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，具有廣泛的應(yīng)用的價(jià)值。

超聲波定位；紅外收發(fā)管；特定跟隨

0　引言

現(xiàn)有的移動(dòng)跟隨設(shè)備在對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟隨方面不夠靈活，基于STC89C51RC單片機(jī)、超聲波傳感器和直射式紅外接受裝置的自動(dòng)跟隨小車(chē)，應(yīng)用的智能化自動(dòng)跟隨系統(tǒng)可以顯著減少人工勞動(dòng)量，提高工作效率。自動(dòng)跟隨小車(chē)可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行特定跟隨，可以應(yīng)用于超市、賓館、酒店等公共場(chǎng)合，也可以應(yīng)用于各種運(yùn)輸物品的場(chǎng)所。

1　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

硬件整體設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)和各類(lèi)模塊，由中心控制系統(tǒng)控制多個(gè)模塊相互配合完成工作。模塊部分由超聲波模塊、紅外模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、警報(bào)模塊和電源模塊組成。跟隨小車(chē)實(shí)物圖如下圖所示。

1.2 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的自動(dòng)跟隨，小車(chē)以51單片機(jī)為控制核心，配合超聲波定位模塊、紅外特定識(shí)別模塊、避障模塊實(shí)現(xiàn)特定跟隨。

1.3 超聲波模塊

超聲波模塊采用T/R40-16超聲波發(fā)射器，T/R40-16超聲波發(fā)射器是外殼直徑16cm，中心頻率40khz的傳感器。超聲波定位系統(tǒng)可以在一定范圍內(nèi)無(wú)接觸定位，定位精度可達(dá)1cm[1-2]。

1.4 紅外模塊

紅外模塊采用TL9408直射式紅外發(fā)射接收管,紅外通信利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間轉(zhuǎn)發(fā)，并采用PWM脈沖調(diào)制的方式，調(diào)制成一定頻率的脈沖序列，經(jīng)過(guò)接受管光脈沖向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化以及信號(hào)解調(diào)、濾波，最終解碼為二進(jìn)制。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

移動(dòng)系統(tǒng)采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)采用四個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)主動(dòng)輪，可以獲得大的功率和速度，通過(guò)改變輸入L298N驅(qū)動(dòng)板的使能端的方波脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)減速電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，達(dá)到速度可調(diào)，噪聲小，滿足自動(dòng)跟隨小車(chē)的設(shè)計(jì)要求[3]。

1.6 避障模塊

3個(gè)傳感器分布在小車(chē)后方，在50cm內(nèi)檢測(cè)到障礙物輸出低電平，無(wú)障礙物輸出高電平，以此用于判斷后方的情況。

1.7 電源模塊

供電系統(tǒng)采用兩節(jié)3.6V鋰電池，可提供7.2V的電壓。其中7.2V直接對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電，用L7805CV穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)壓至單片機(jī)系統(tǒng)額定工作電壓5V，為單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外緣電路供電。

2　系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由STC89C51RC單片機(jī)最小系統(tǒng)及其外緣電路組成，控制小車(chē)在直射式紅外發(fā)射與接收模塊先接收到發(fā)射者提供紅外波執(zhí)行信號(hào)的情況下再執(zhí)行超聲波模塊，當(dāng)收到與濾波器相同頻率的聲波時(shí)，觸發(fā)中斷，并啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）進(jìn)行超聲波返回時(shí)間的計(jì)算，經(jīng)過(guò)微處理器單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的距離算法的計(jì)算以及根據(jù)超聲波模塊返回的電平數(shù)值進(jìn)行方向判斷，確定跟隨目標(biāo)具體位置，從而控制移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行可編程的PWM調(diào)速進(jìn)行特定目標(biāo)跟蹤[4]。

2.2 目標(biāo)定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)由超聲波模塊和紅外模塊構(gòu)成。小車(chē)最前方中軸線處設(shè)置一個(gè)超聲波，以中軸線為參考點(diǎn)水平偏移6.5cm左右偏置65度分別設(shè)置兩個(gè)超聲波，形成最大230度監(jiān)測(cè)范圍。距中軸線左右2cm處，分別放置紅外接收管在小車(chē)跟隨目標(biāo)的過(guò)程中，使用者攜帶紅外發(fā)射管，當(dāng)小車(chē)前端紅外接收管接收到紅外信號(hào)時(shí)，判斷為“主人”，通過(guò)小車(chē)前端布置的3個(gè)超聲波返回的距離，根據(jù)三點(diǎn)定位算法確定目標(biāo)的位置，配合小車(chē)后端紅外傳感器的避障功能，利用PID算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟隨，由于反復(fù)比較小車(chē)與跟隨目標(biāo)的距離，準(zhǔn)確的確定了目標(biāo)的位置。

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 整體運(yùn)行測(cè)試

經(jīng)過(guò)模擬環(huán)境運(yùn)行測(cè)試，各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠完成對(duì)移動(dòng)目標(biāo)特定自動(dòng)跟隨、避障報(bào)警動(dòng)作。

3.2 超聲波轉(zhuǎn)角范圍測(cè)試

在室外空曠場(chǎng)地，溫度大約為25°C環(huán)境下，對(duì)小車(chē)進(jìn)行超聲波轉(zhuǎn)角范圍測(cè)試表明：小車(chē)最前方中軸線位置設(shè)置的T/R40-16超聲波發(fā)射器，以中軸線為參考點(diǎn)水平偏移6.5cm左右偏置65度分別設(shè)置兩個(gè)超聲波發(fā)射器，可以形成最大230度監(jiān)測(cè)范圍，在對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行靈活捕捉和跟蹤前提下，實(shí)現(xiàn)了最大程度范圍監(jiān)測(cè)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了以51單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)跟隨小車(chē)，結(jié)合超聲波傳感器測(cè)距，紅外接受裝置對(duì)目標(biāo)特定識(shí)別和光電傳感器避障，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定目標(biāo)的自動(dòng)跟隨，同時(shí)報(bào)警系統(tǒng)保證了小車(chē)的安全性。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的獨(dú)立性和擴(kuò)展性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]李戈，孟祥杰，王曉華，王重秋.國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].測(cè)繪科學(xué),2011(07):60.

[2]蔡磊，周亭亭，郭云鵬，陳素芳，吳漢幫.基于超聲波定位的智能小車(chē)[J].電子測(cè)量技術(shù),2013(11):76-79.

[3]陳亭，張玉芳，鄭明成，王富東.基于超聲波探測(cè)的目標(biāo)跟蹤機(jī)器人[J].中國(guó)科技信息，2009(01):37.

[4]焦玉朋.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2013:5-6.

聶憲波(1994-)，男，黑龍江依安人，本科，學(xué)生，研究方向：電子信息工程。

哈爾濱理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2014CX0114）