張成 石進遠 藺寧寧 代月明

【關鍵詞】智能跟蹤 藍牙模塊 信號強度 控制系統(tǒng)

隨著人們的生活、生產(chǎn)對智能化的要求不斷的提高，智能化機器人發(fā)展迅速。它大大減輕了勞動強度、提高了勞動效率、保障了人們的生命安全。不得不說我們的生活與智能化、自動化具有密不可分的關系。在國內智能化機器人的技術發(fā)展各有千秋，例如按特定標識的循跡小車和循跡飛行器等。而最廣泛的研究便是對于智能汽車的研究，其內容涵蓋了機械、電子、自動控制計算機等多種學科的知識領域。作為一門新興的科學技術，可廣泛的應用于各種復雜環(huán)境。具有不錯的應用前景。

1 “高爾夫球”車控制系統(tǒng)簡介

本文設計了一款智能跟蹤小車—“高爾夫球”車，其可以通過藍牙模塊對移動目標所在區(qū)域的定位，達到智能跟蹤目的。智能跟蹤小車—“高爾夫球”車是一個復雜的、綜合多傳感器模塊的控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以飛思卡爾智能車車模為基礎，通過裝置在車上的藍牙模塊檢測目標單位上藍牙發(fā)射模塊發(fā)出信號的強度，判斷出移動目標的具體方位和距離，從而實現(xiàn)對目標的識別與跟蹤。同時可以通過手機設置跟蹤距離參數(shù)，具有很強的應用價值。

2 系統(tǒng)總體方案

整個設計包括測距定位系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、電機驅動系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。其中測距定位系統(tǒng)包括三個藍牙接收裝置、一個藍牙發(fā)射裝置。由于信號在傳播中存在衰減，據(jù)此利用藍牙模塊之間的接收信號強度法來確定目標的方位。為了保障智能跟蹤小車的安全、穩(wěn)定性，還加入了超聲波避障模塊。單片機通過藍牙模塊和超聲波模塊的反饋信息確定目標方位和距離，通過控制算法控制“高爾夫球”車的舵機轉向和電機轉動。從而實現(xiàn)了“高爾夫球”車的智能跟蹤與定位。具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本次設計主控采用芯片，電機驅動芯片采用芯片，構成雙H橋電機驅動模塊。同時智能車的總電源采用7.2V鋰電池供電，并加入低壓監(jiān)測電路保護電池。提高智能跟蹤小車的穩(wěn)定可靠性。

在智能跟蹤汽車控制系統(tǒng)中，傳感器的選擇對于車輛能否實現(xiàn)跟蹤定位具有重大影響。較為普遍的便是采用視覺傳感器利用數(shù)字圖像處理技術對目標原始圖像進行各種運算，得到有用信息進而對智能車進行控制來達到跟蹤定位的目標。但是由于該技術復雜，同時設計成本昂貴。因此在選擇智能“高爾夫球”車時，考慮到藍牙模塊和超聲波模塊具有體積小、價格低和I/O口控制方便等優(yōu)點，滿足我們的設計要求。因此系統(tǒng)采用HC-06藍牙模塊和URM37超聲波傳感器進行定位跟蹤檢測。

3 定位檢測的原理

本次設計采用三個藍牙接收模塊和一個藍牙發(fā)射模塊，一個超聲波避障模塊。兩個藍牙接收模塊安裝在小車的正前方的兩端，間隔為8cm，離地高度為2cm，同時目標單位攜帶一個藍牙發(fā)射模塊。當目標發(fā)送的電磁波被小車前端的兩個接收裝置檢測到時，由于兩個接收裝置距目標單位的距離不同，因此接收到的信號也不相同，據(jù)此判斷目標所處方位和距離，具體描述如下。

將小車抽象為一個矩形，兩個藍牙接收模塊安放在矩形的頂點，以矩形的一個頂點為原點，原點所在的一邊為X軸、另一邊為Y軸建立直角坐標系。那么兩個藍牙接收模塊的坐標分別為、。不妨假設目標單位所在坐標為。其中d為兩模塊之間的距離。數(shù)學模型如圖2所示。

已知信號發(fā)射功率PT和接收功率PR與傳輸距離r、傳輸因子n關系滿足如下公式

兩邊分別取對數(shù)轉化為信號強度與信號傳輸距離的關系為

其中A為常數(shù)與發(fā)送信號的強度有關，xσ為背景噪聲滿足均值為0的高斯白噪聲。

據(jù)此在本次設計中通過給定傳輸距離，檢測藍牙接收模塊接收到信號的強弱最終確定了各個參數(shù)，最終得到了信號強度與傳輸距離的關系。

另外一個藍牙接收模塊與手機通信，用于接收手機信號和設定根據(jù)距離和速度等各種參數(shù)。同時為了提高小車的安全性和穩(wěn)定性，利用超聲波避障模塊來達到避障效果。

4 智能跟蹤算法的設計

4.1 定位算法的設計

如圖2，我們利用坐標來表示目標的方位，其中目標單位坐標為（x，y），藍牙接收模塊的坐標分別為（0，0）、（-d，0）。其中目標單位與兩者之間的距離可以表示為r1、r2。那么當三點不在一條直線上時滿足余弦定理，即

那么目標單位坐標為

而當三點在一條直線上時，目標單位x軸坐標滿足

其中y軸坐標滿足y=0。

通過此方法確定目標單位的方位和距離，從而確定小車的舵機打角角度，使得小車沿著目標方向運動。

4.2 PID控制算法

智能控制小車的核心思想就是模仿人的思維和行動去完成控制任務，其中PID控制算法是控制系統(tǒng)中技術比較成熟、而且應用最廣泛的算法。PID依據(jù)控制輸出和執(zhí)行機構的對應關系可分為位置式PID和增量式PID兩種。

因此在設計小車的控制算法時，對舵機轉向采用位置式PID控制算法，對于電機采用增量式PID控制算法從而達到對小車的控制。

4.3 算法流程圖

將上述算法思想轉化為編程語言，得到算法實現(xiàn)的流程圖。如圖3。

5 結束語

本文通過研究智能化的一個重要方面：移動目標的智能跟蹤，設計了智能“高爾夫球”車的區(qū)域車輛定位控制系統(tǒng)，可以有效的利用小車進行控制定位追蹤，靈活運用無線信號隨著傳輸距離的增大而衰減的特性對移動目標進行精確的定位判斷。從而達到跟蹤定位的效果。該設計還加入了智能避障模塊。通過實測結果表明小車具有很好的跟蹤定位效果，響應速度快，適應能力強且動態(tài)性能好，整體控制效果較好。

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