基于單片機自動跟隨小車的設計與制作

聶憲波,邵澤箭,鞏文文,關立強,趙昊寧（哈爾濱理工大學　榮成學院,山東　威海　264300）

基于單片機自動跟隨小車的設計與制作

聶憲波,邵澤箭,鞏文文,關立強,趙昊寧
（哈爾濱理工大學榮成學院,山東威海264300）

隨著科學技術的發展，人們越來越需要一種能夠解放雙手，提高工作效率，自動搬運貨物的系統。本文介紹一種基于超聲波定位、紅外特定跟隨及單片機控制的自動跟隨小車。該小車通過安裝在前方的3個超聲波傳感器實時測距，監測小車與主人的位置信息，配合直射式紅外發射及接收管，反饋給單片機來調整小車的動作和速度。該系統結構設計簡單，可靠性高，具有廣泛的應用的價值。

超聲波定位；紅外收發管；特定跟隨

0　引言

現有的移動跟隨設備在對移動目標跟隨方面不夠靈活，基于STC89C51RC單片機、超聲波傳感器和直射式紅外接受裝置的自動跟隨小車，應用的智能化自動跟隨系統可以顯著減少人工勞動量，提高工作效率。自動跟隨小車可以對移動目標進行特定跟隨，可以應用于超市、賓館、酒店等公共場合，也可以應用于各種運輸物品的場所。

1　硬件結構設計

1.1 硬件總體設計

硬件整體設計包括控制系統和各類模塊，由中心控制系統控制多個模塊相互配合完成工作。模塊部分由超聲波模塊、紅外模塊、電機驅動模塊、避障模塊、警報模塊和電源模塊組成。跟隨小車實物圖如下圖所示。

1.2 控制系統

為了實現對特定目標的自動跟隨，小車以51單片機為控制核心，配合超聲波定位模塊、紅外特定識別模塊、避障模塊實現特定跟隨。

1.3 超聲波模塊

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

1.4 紅外模塊

紅外模塊采用TL9408直射式紅外發射接收管,紅外通信利用紅外技術實現兩點間轉發，并采用PWM脈沖調制的方式，調制成一定頻率的脈沖序列，經過接受管光脈沖向電信號的轉化以及信號解調、濾波，最終解碼為二進制。

1.5 電機驅動模塊

移動系統采用L298N電機驅動器驅動電機。系統采用四個電機分別驅動四個主動輪，可以獲得大的功率和速度，通過改變輸入L298N驅動板的使能端的方波脈沖的占空比實現對減速電機的速度和轉向調節，達到速度可調，噪聲小，滿足自動跟隨小車的設計要求[3]。

1.6 避障模塊

3個傳感器分布在小車后方，在50cm內檢測到障礙物輸出低電平，無障礙物輸出高電平，以此用于判斷后方的情況。

1.7 電源模塊

供電系統采用兩節3.6V鋰電池，可提供7.2V的電壓。其中7.2V直接對電機驅動板供電，用L7805CV穩壓芯片將電壓穩壓至單片機系統額定工作電壓5V，為單片機最小系統及其外緣電路供電。

2　系統原理設計

2.1 控制系統設計

控制系統由STC89C51RC單片機最小系統及其外緣電路組成，控制小車在直射式紅外發射與接收模塊先接收到發射者提供紅外波執行信號的情況下再執行超聲波模塊，當收到與濾波器相同頻率的聲波時，觸發中斷，并啟動時鐘發生器（定時器/計數器）進行超聲波返回時間的計算，經過微處理器單片機進行相應的距離算法的計算以及根據超聲波模塊返回的電平數值進行方向判斷，確定跟隨目標具體位置，從而控制移動系統進行可編程的PWM調速進行特定目標跟蹤[4]。

2.2 目標定位系統

定位系統由超聲波模塊和紅外模塊構成。小車最前方中軸線處設置一個超聲波，以中軸線為參考點水平偏移6.5cm左右偏置65度分別設置兩個超聲波，形成最大230度監測范圍。距中軸線左右2cm處，分別放置紅外接收管在小車跟隨目標的過程中，使用者攜帶紅外發射管，當小車前端紅外接收管接收到紅外信號時，判斷為“主人”，通過小車前端布置的3個超聲波返回的距離，根據三點定位算法確定目標的位置，配合小車后端紅外傳感器的避障功能，利用PID算法驅動電機動作，實現對目標的跟隨，由于反復比較小車與跟隨目標的距離，準確的確定了目標的位置。

3　實驗測試

3.1 整體運行測試

經過模擬環境運行測試，各個系統運行狀態良好，能夠完成對移動目標特定自動跟隨、避障報警動作。

3.2 超聲波轉角范圍測試

在室外空曠場地，溫度大約為25°C環境下，對小車進行超聲波轉角范圍測試表明：小車最前方中軸線位置設置的T/R40-16超聲波發射器，以中軸線為參考點水平偏移6.5cm左右偏置65度分別設置兩個超聲波發射器，可以形成最大230度監測范圍，在對移動目標進行靈活捕捉和跟蹤前提下，實現了最大程度范圍監測。

4　結束語

本文介紹了以51單片機為控制核心的自動跟隨小車，結合超聲波傳感器測距，紅外接受裝置對目標特定識別和光電傳感器避障，通過PID算法調節電機轉速，實現了對特定目標的自動跟隨，同時報警系統保證了小車的安全性。本設計結構簡單，易于實現，采用模塊化設計，系統具有良好的獨立性和擴展性，具有一定的實用價值。

[1]李戈，孟祥杰，王曉華，王重秋.國內超聲波測距研究應用現狀[J].測繪科學,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[J].電子測量技術,2013(11):76-79.

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

[4]焦玉朋.基于51單片機的PWM直流電機調速系統[D].內蒙古：內蒙古大學物理科學與技術學院，2013:5-6.

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

哈爾濱理工大學大學生創新創業訓練計劃項目（2014CX0114）