基于STC15F4K60S4的智能隨動小車設計

宋京 高原 金京

摘 要：文章設計了一種智能隨動小車，提出了一種以STC5F4K60S4單片機為主控芯片，使用超聲波，配合紅外雷達，同時利用目標定位算法，角度計算算法，求最短距離算法使智能隨動小車能在各個方位準確判斷自身與主人的相對位置，并可以在人后方及人前方保持固定距離固定角度隨行，可有效解決主人轉向時的跟隨問題，并保持能在這些狀況下穩定跟隨主人。

關鍵詞：隨動小車；超聲波；紅外雷達

隨著社會經濟的發展，人民物質生活的提高，在智能器械領域也呈現出爆炸式需求。越來越多的智能化工具走進了人們的生活，工廠中的智能機械手，智能化流水線，與人們生活更貼近的智能家居，以及發展前景巨大的智能汽車，可以說以智能機器人為代表的智能技術已經與人們的生活密不可分。本文設計的隨動小車具有自動跟隨目標行動，幫助運輸物資，節省人力成本，費用低，提高工作效率，可持續工作的特點[1]。

1 總體設計思路

本文提出了一種智能隨動小車控制系統設計，可以分為移動主人和隨動小車兩大部分。設計以STC15F4K60S4-LQFP44單片機為主控芯片，利用超聲波配合紅外雷達，首先判斷移動主人與隨動小車的相對位置，最后利用角度計算算法，以最短距離算法求得小車與移動主人之間的距離和角度，并與設定的距離和角度相比，通過控制中心的處理，驅動電機使小車實現轉向、加速、減速等操作，從而保證距離和角度與設定保持一致，并能在這種狀態下穩定運行。本設計所涉及的主要技術有超聲波測距技術，紅外尋源技術[2]，電機控制技術，以及無線傳輸技術。

2 核心算法說明

最短距離算法如圖1所示。其中：1為移動主人；2為超聲波發射探頭1；3為紅外線發射探頭；4為隨動小車；5為超聲波發射探頭2；6為超聲波及紅外接收探頭2；7為超聲波及紅外接收探頭1。設超聲波發射探頭1，與超聲波發射探頭2之間的距離固定為L，車身長度為L1通過超聲波測距得出超聲波發射探頭1和超聲波發射探頭2，至超聲波接收探頭的距離V1t，和V2t，比較V1t與V2t的大小，首先使得V1t=V2t（測得的較短距離），在已知三角形三邊長度的情況下，我們可以根據海倫定理即三角形求高公式[3]（其中a，b，c為三角形三邊邊長）：

在具體系統中，設由車尾至超聲波發射探頭安裝位置的方向為正方向，將小車四周分為3個區域，即沿正方向，超聲波發射探頭安裝位置一側為前方區域，小車兩側為兩側區域，另一區域為后方區域。

當移動主人位于前方區域時，隨動小車到移動主人的最短距離H為：

當移動主人位于側方區域或后方區域時，隨動小車到移動主人的最短距離H1為：

3 電機選型

根據人的平均行走速度為1.1～1.5 m/s，則每分鐘最多行走90 m。車輪半徑為R=300 mm，運貨物質量m為20 kg，則小車滾動一圈前進：0.942 m

則1 min內，需轉 （5）

轉動車輪的最小力矩為：

Md=mg×R=29.4 N·m （6）

傳動比i為，機最大轉速和車輪最大轉速之比10.42，電機轉軸最小轉矩為2.82 N·m，可以算得P為：

JGB37-550型號電機參數如表1所示。

由表1可知，發電機功率及轉矩均在要求范圍內，所以選擇JB37-550型號電機是合適的。

4 隨動功能實現步驟

步驟1：在移動裝置上輸入移動主人與隨動小車之間的最短距離和所需跟隨角度，注意最短距離和跟隨角度應保證在合理范圍內。

步驟2：通過按鍵開啟“學習”模式，系統開始運行，紅外線發射探頭，和紅外線接收探頭開始工作，舵機自動控制系統開始控制紅外線發射探頭在一定角度范圍內自動探測紅外線接收探頭位置，直至紅外信號被接收，移動主人部分主控板單片機，將接收到紅外信號的信息通過無線傳輸傳送給隨動小車部分主控板，控制舵機系統停止轉動。

步驟3：確定移動主人位置后，舵機自動控制系統開始控制兩個超聲波發射探頭旋轉，確保超聲波發射探頭與紅外線發射探頭方向一致，即對準超聲波接收探頭位置。

步驟4：超聲波發射探頭與超聲波接收探頭工作，移動主人部分主控板將兩個超聲波發射探頭分別到超聲波接收探頭的實際距離，通過無線傳輸給移動小車主控單片機，移動小車主控單片機通過比較判斷兩段距離是否相等，若不相等，則通過驅動電機的轉動，實現兩距離相等。

步驟5：通過算法計算出移動主人與隨動小車之間的短距離和所構成三角形角度，若此最短距離和角度大于或小于預先設定距離和角度，則隨動小車進行前進后退或轉向移動，直至檢測出兩者之間最短距離和角度等于預設距離和角度。

步驟6：學習模式結束后，移動主人可以開始移動，通過單片機處理器，實時檢測最短距離和隨動角度數據，再驅動電機加速或減速行駛，從而使移動主人與隨動小車保持特定距離與角度前行。

5 結語

本設計仍存在以下不足之處需要改進和加強，如環境溫度對系統硬件的影響，尤其是超聲波的影響；其次軟件程序代碼冗雜，需要結構優化，提高軟件效率，從而提高系統效率。

[參考文獻]

[1]東旭.探路者到達火星[J].中國航天，1997（10）：23-27.

[2]張輝，王永杰，趙海敏.自動尋跡智能小車的激光路徑跟隨系統設計[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2013（10）：1170-1173.

[3]HERRINGTON D R.Ultrasonic range fnder uses few components[J].EDN，1996（6）：23-26.