山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 劉承磊 趙 斌 葛忠迪

0 引言

旅行箱的使用有著漫長(zhǎng)的歷史，從僅供容納衣物的木箱、大皮箱，到如今形態(tài)各異的便攜式手提箱、拉桿箱。但是現(xiàn)在普遍存在的問(wèn)題是對(duì)于那些行動(dòng)不便的人和經(jīng)常外出的商務(wù)人員來(lái)說(shuō)，笨重的旅行箱是一個(gè)累贅。我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能夠?qū)μ囟ㄒ苿?dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的智能旅行箱，可以與特定目標(biāo)保持一定距離，跟蹤特定目標(biāo)，攜帶物品[1]。該款智能跟隨旅行箱有兩套跟隨裝置，根據(jù)使用場(chǎng)景可隨時(shí)切換超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)智能跟隨旅行箱的功能，設(shè)計(jì)了超聲波跟隨系統(tǒng)、紅外跟隨系統(tǒng)、報(bào)警裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能模塊。通過(guò)超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)可分別測(cè)出特定跟隨目標(biāo)的相對(duì)位置，以STC89C52為主控芯片，將特定跟隨目標(biāo)的相對(duì)位置處理后將前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)信號(hào)發(fā)送給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，完成對(duì)左右2個(gè)電機(jī)的控制。電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、STC89C52單片機(jī)和USB充電模塊供電。

1.2 超聲波跟隨系統(tǒng)

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同的界面將產(chǎn)生反射、繞射、折射等原理在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。超聲波傳感器具有不易受環(huán)境因素干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量[3]。本設(shè)計(jì)所采用的超聲波模塊為HC-SR04超聲波，該模塊測(cè)量范圍為2～450cm,精度可達(dá)3mm，由超聲波發(fā)射探頭、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成[4-5]。該模塊有4個(gè)引腳依次為：VCC、Trig、Echo、GND，采用IO觸發(fā)測(cè)距，提供至少10μs的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

1.3 紅外跟隨系統(tǒng)

紅外線傳感器是利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種裝置，有靈敏度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，紅外線傳感器可以控制驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行[6]。此光電傳感器集發(fā)射與接收與一體，檢測(cè)距離可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用與自動(dòng)化產(chǎn)品的控制[7]。本紅外跟隨系統(tǒng)由3個(gè)E18-D80NK漫反射式紅外光電開關(guān)設(shè)計(jì)而成，分別位于旅行箱的左側(cè)、中間和右側(cè)，當(dāng)左側(cè)光電傳感器檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，控制電機(jī)執(zhí)行左轉(zhuǎn)命令；中間光電傳感器檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，執(zhí)行前進(jìn)命令；右側(cè)光電傳感器檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，執(zhí)行右轉(zhuǎn)命令，3個(gè)光電傳感器同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，表明移動(dòng)目標(biāo)與旅行箱的距離太小，執(zhí)行停止命令。

1.4 報(bào)警裝置

報(bào)警裝置由安裝在旅行箱底部的紅外傳感器和蜂鳴器組成。紅外傳感器有3個(gè)引腳，分別為VCC、GND和OUT，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到物體時(shí)，持續(xù)發(fā)送低電平信號(hào)。該模塊的檢測(cè)距離為2～30cm，檢測(cè)距離可通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)旅行箱被提起時(shí)，紅外傳感器檢測(cè)不到物體時(shí)將持續(xù)發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號(hào)后，控制蜂鳴器報(bào)警，提醒主人，以此解決丟失旅行箱的問(wèn)題。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由1個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、2個(gè)4085大扭力直流電機(jī)組成[8]。L298N由6節(jié)18650組成的電池組供電，額定工作電壓12V，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以引出5V電壓給單片機(jī)供電。該模塊是2路H橋驅(qū)動(dòng)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，使能ENA、ENB后，分別從IN1、IN2輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)左電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，分別從IN3、IN4輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)右電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向[9]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

打開電源開關(guān)后，啟動(dòng)系統(tǒng)切換裝置、報(bào)警裝置和USB充電裝置，根據(jù)使用場(chǎng)景的要求切換超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)。當(dāng)開啟超聲波跟隨系統(tǒng)后，超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波接收裝置接收到信號(hào)后，完成對(duì)特定跟隨目標(biāo)的定位，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送移動(dòng)命令控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)開啟紅外跟隨系統(tǒng)后，光電傳感器將發(fā)射紅外信號(hào)，接收到紅外信號(hào)的光電傳感器發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，控制電機(jī)向?qū)?yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。報(bào)警裝置供電后一直處于工作模式，當(dāng)檢測(cè)不到地面物體時(shí)，發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2 超聲波跟隨系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

利用3個(gè)超聲波接收模塊接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算出超聲波發(fā)射端相對(duì)于超聲波接收端的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定移動(dòng)目標(biāo)的定位。超聲波信號(hào)發(fā)射端和超聲波接收端之間存在沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不正確的情況。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并剔除錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。剔除錯(cuò)誤的基本原則如下：發(fā)射端相對(duì)于接收端3個(gè)超聲波模塊的相對(duì)位置有3種情況，偏左、偏右、偏中間。根據(jù)接收端3個(gè)超聲波的安裝位置，數(shù)據(jù)中的3個(gè)距離值之間的差值不會(huì)大于20cm，根據(jù)限制條件，推導(dǎo)出正確數(shù)據(jù)的規(guī)律。

2.3 紅外跟隨系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

安裝在旅行箱上的3個(gè)光電傳感器供電后，將發(fā)射紅外信號(hào)，若左側(cè)的傳感器檢測(cè)到物體，右側(cè)的傳感器沒(méi)有檢測(cè)到物體，表明移動(dòng)物體位于旅行箱左側(cè)，將執(zhí)行左轉(zhuǎn)命令；若右側(cè)的傳感器檢測(cè)到物體，左側(cè)的傳感器沒(méi)有檢測(cè)到物體，表明移動(dòng)物體位于旅行箱右側(cè)，將執(zhí)行右轉(zhuǎn)命令；其他情況下將執(zhí)行前進(jìn)命令。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制直流電機(jī)時(shí)，需要加驅(qū)動(dòng)電路為直流電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，本設(shè)計(jì)采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊，它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩組電機(jī)，每個(gè)電機(jī)由單片機(jī)的兩個(gè)I/O口控制，通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)使能輸出不同占空比的PWM波形。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比[10]?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，我們?cè)O(shè)置旅行箱在完成前進(jìn)命令時(shí)占空比為100%，執(zhí)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時(shí)占空比為50%。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在環(huán)境溫度正常的室外對(duì)智能跟隨旅行箱的跟隨性能進(jìn)行了測(cè)試，分別選擇超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)觀察是否準(zhǔn)確跟隨，兩種跟隨系統(tǒng)都很好的實(shí)現(xiàn)了跟隨的功能，其中超聲波跟隨系統(tǒng)最遠(yuǎn)距離為4m，紅外跟隨系統(tǒng)最遠(yuǎn)距離為2m，報(bào)警裝置的報(bào)警距離為離地20cm，系統(tǒng)整體性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

以STC89CS52為主要芯片，設(shè)計(jì)并制造了智能跟隨旅行箱，具有反應(yīng)迅速，定位準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)跟蹤的特點(diǎn)，定位于日常生活使用，具有操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，成本低等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)使用場(chǎng)景可選擇超聲波定位系統(tǒng)及紅外跟隨系統(tǒng)。從它本身具有的特性來(lái)看，可以運(yùn)用于生活的許多場(chǎng)合下，如機(jī)場(chǎng)乘客的行李搬運(yùn)，大型商場(chǎng)的職能購(gòu)物車，還有大型車間中設(shè)備檢驗(yàn)人員的工具搬運(yùn)等多種場(chǎng)合，它能很好的解放我們的雙手。

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