張 偉，王 橋，李 莉，魏 虎，張慶新，姜 萍

（1.貴州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范學(xué)院 大數(shù)據(jù)科學(xué)與智能工程研究院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，小車自動化、智能化已成為重要的觀注點(diǎn)之一。然而，國內(nèi)市場目前還未出現(xiàn)無軌自動跟隨載物的小車，而我國具有的跟隨性小車并沒有針對超市、旅館、飛機(jī)場、港口等大眾場合，或家庭、個人的智能無軌產(chǎn)品，主要是有軌跟隨，其中最具代表性的便是餐廳服務(wù)機(jī)器人及快件分運(yùn)的跟隨產(chǎn)品。本文參考陀螺儀定位及STM32各種模塊的綜合運(yùn)用，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崟r檢測并追蹤特定移動目標(biāo)的自動跟隨小車。該車采用陀螺儀定位技術(shù)及PID算法技術(shù)，可根據(jù)不同場合的環(huán)境要求調(diào)整小車的跟隨距離和速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟隨，物品托運(yùn)。該設(shè)計(jì)可用于超市智能購物車，也可放在機(jī)場、旅館用做行李托運(yùn)車。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)完成了基于單片機(jī)的智能無軌跟隨小車設(shè)計(jì)。采用陀螺儀定位模塊，藍(lán)牙無線通信模塊等，設(shè)計(jì)了可實(shí)時無線收發(fā)目標(biāo)位置，定位自身位置的模塊，同時構(gòu)建了PID算法控制小車移動，從而實(shí)現(xiàn)小車對目標(biāo)的自動跟隨。小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)小車自動跟隨目標(biāo)，首先向從機(jī)發(fā)送無線信號，從機(jī)接收到無線電信號后進(jìn)行匹配。目標(biāo)利用陀螺儀取得自身位置坐標(biāo)，通過無線信號將坐標(biāo)發(fā)送回主機(jī)，主機(jī)將接收到的坐標(biāo)與自身位置坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算，從而判斷目標(biāo)所在的方向及位置，并通過PID算法調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)小車跟隨目標(biāo)。小車手持設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2 小車（主機(jī)）

圖3 手持設(shè)備（從機(jī)）

1.2 硬件設(shè)計(jì)

由于小車需要對定位目標(biāo)位置，并進(jìn)行運(yùn)動控制，故本設(shè)計(jì)采用陀螺儀定位采集距離信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)，經(jīng)過控制系統(tǒng)算法處理，可識別目標(biāo)的方位。

基于陀螺儀的定位原理：在小車頂部設(shè)置一個陀螺儀，使系統(tǒng)獲得小車自身的坐標(biāo)。蛇螺儀電路如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)小車對目標(biāo)的實(shí)時跟隨，在小車和目標(biāo)上安裝無線通信裝置。無線通信為小車與目標(biāo)構(gòu)建通信通道，使小車得到目標(biāo)的實(shí)時位置。藍(lán)牙HC-05是主從一體的串口模塊，可設(shè)置藍(lán)牙的主從屬性。當(dāng)主機(jī)藍(lán)牙與從機(jī)藍(lán)牙配對連接后，可建立一個短距離通信通道，主從設(shè)備可共同使用該通道，發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

調(diào)節(jié)PWM波可調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車的跟隨需求。調(diào)節(jié)PWM波即調(diào)制脈沖的寬度，換言之，PWM波通過調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。對于控制電機(jī)可將高電平持續(xù)x%，低電平持續(xù)1-x%。電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示，可控制小車的前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)向等。

圖4 陀螺儀電路

2 核心技術(shù)

系統(tǒng)主要有三大核心技術(shù)：定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、PID控制技術(shù)。

2.1 定位技術(shù)

定位技術(shù)可通過主機(jī)和從機(jī)上的陀螺儀定位主機(jī)和從機(jī)的位置，將坐標(biāo)值傳輸?shù)街靼暹M(jìn)行算法計(jì)算，從而得到從機(jī)所在的角度方向和兩者之間的距離：

通過比值求出角A所占比例：

在計(jì)算PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動時用Y的值控制電機(jī)的占空比。小車及目標(biāo)的定位原理如圖6所示。

圖6 小車及目標(biāo)的定位原理

2.2 無線通信技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)無線通信，本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊HC-05。HC-05是一款可用作短距離無線通信的主從一體的通信設(shè)備。這款藍(lán)牙通訊模塊有兩種工作模式：

（1）命令響應(yīng)工作模式

（2）自動連接工作模式

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路

a.主（Master）

b.從（Slave）

c.回環(huán)（Lookback）

當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)至自動連接工作模式時，可事先設(shè)定連接方式，連接后設(shè)備將會按照設(shè)定傳輸數(shù)據(jù)；設(shè)置模塊進(jìn)入命令響應(yīng)工作模式時，可以使用 AT命令。通過設(shè)置AT指令，可以設(shè)置其主從模式，做成主機(jī)（小車接收設(shè)備）、從機(jī)（手持發(fā)送設(shè)備）。同時可以設(shè)置其與指令地址匹配，從而實(shí)現(xiàn)一對一匹配，避免出現(xiàn)連接錯誤。

2.3 PID控制技術(shù)

在直流電機(jī)的開環(huán)控制中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速總是隨著電機(jī)的負(fù)載變化而變化，無法穩(wěn)定在一個給定的數(shù)值上。隨著負(fù)載的增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之下降，當(dāng)負(fù)載超過額定負(fù)載時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時電機(jī)電流最大，容易損壞。而在PID控制系統(tǒng)中，由于有積分和微分環(huán)節(jié)，可使系統(tǒng)跟隨到給定值上，即雖然有誤差，也可迅速調(diào)節(jié)，使誤差在一段時間過后為零。PID調(diào)節(jié)即比例、積分、微分控制，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值與輸出值進(jìn)行對比，通過對比得到的偏差來進(jìn)行比例、積分和微分的控制。

基本PID控制器的理想算式：

PID參數(shù)調(diào)整主要確定三個參數(shù)，然后進(jìn)行整體測試對參數(shù)微調(diào)至系統(tǒng)正常工作，需要確定的三個參數(shù)：

（1）比例系數(shù)Kp

（2）積分時間常數(shù)Ti

（3）微分時間常數(shù)Td

首先確定比例系數(shù)，然后是積分時間常數(shù)，最后是微分時間常數(shù)。首先令Ti，Td為0，將Kp由0逐漸增大至系統(tǒng)震蕩，然后又將Kp減小至震蕩消失，設(shè)定此值為比例系數(shù)Kp。同樣的方法求得Ti，Td。隨后對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)直至正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)調(diào)試

硬件調(diào)試：

（1）測試電機(jī)的驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向等。

（2）測試藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)傳輸。

（3）測試陀螺儀定位，通過串口監(jiān)視器打印出相應(yīng)坐標(biāo)。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）藍(lán)牙連接的距離在8 m內(nèi)非常穩(wěn)定。

（2）陀螺儀定位精準(zhǔn)度在97%，波動范圍在2%～5%之間。（3）PID控制穩(wěn)定性在85%。

4 結(jié) 語

針對智能無軌跟隨的特點(diǎn)，文中的系統(tǒng)結(jié)合了無線通信技術(shù)，定位技術(shù)，采集小車位置、目標(biāo)位置等參數(shù)，對航偏角進(jìn)行有效計(jì)算，從而由PID控制轉(zhuǎn)向、跟隨等。此系統(tǒng)還具有低功耗、操作方便、實(shí)時性好、低成本、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。能夠滿足大多數(shù)貨物托運(yùn)的需求。

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