基于超聲波與紅外感應(yīng)的智能跟隨旅行箱

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)在普遍存在的問題是對于那些行動不便的人和經(jīng)常外出的商務(wù)人員來說，笨重的旅行箱是一個累贅。我們設(shè)計了一款能夠?qū)μ囟ㄒ苿幽繕?biāo)進(jìn)行實時跟蹤的智能旅行箱，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)使用場景可隨時切換超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)智能跟隨旅行箱的功能，設(shè)計了超聲波跟隨系統(tǒng)、紅外跟隨系統(tǒng)、報警裝置、電機驅(qū)動等功能模塊。通過超聲波跟隨系統(tǒng)和紅外跟隨系統(tǒng)可分別測出特定跟隨目標(biāo)的相對位置，以STC89C52為主控芯片，將特定跟隨目標(biāo)的相對位置處理后將前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)信號發(fā)送給L298N電機驅(qū)動模塊，完成對左右2個電機的控制。電源給電機驅(qū)動模塊、STC89C52單片機和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，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量[3]。本設(shè)計所采用的超聲波模塊為HC-SR04超聲波，該模塊測量范圍為2～450cm,精度可達(dá)3mm，由超聲波發(fā)射探頭、控制電路和驅(qū)動電路組成[4-5]。該模塊有4個引腳依次為：VCC、Trig、Echo、GND，采用IO觸發(fā)測距，提供至少10μs的高電平信號，模塊自動發(fā)射8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。

1.3 紅外跟隨系統(tǒng)

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

1.4 報警裝置

報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個引腳，分別為VCC、GND和OUT，當(dāng)紅外傳感器檢測到物體時，持續(xù)發(fā)送低電平信號。該模塊的檢測距離為2～30cm，檢測距離可通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)旅行箱被提起時，紅外傳感器檢測不到物體時將持續(xù)發(fā)送信號給單片機，單片機接收到信號后，控制蜂鳴器報警，提醒主人，以此解決丟失旅行箱的問題。

1.5 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊由1個L298N電機驅(qū)動板、2個4085大扭力直流電機組成[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)動能力強，發(fā)熱量低，抗干擾能力強等優(yōu)點，可以引出5V電壓給單片機供電。該模塊是2路H橋驅(qū)動，可同時驅(qū)動2個電機，使能ENA、ENB后，分別從IN1、IN2輸入PWM信號驅(qū)動左電機的轉(zhuǎn)速和方向，分別從IN3、IN4輸入PWM信號驅(qū)動右電機的轉(zhuǎn)速和方向[9]。

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

打開電源開關(guān)后，啟動系統(tǒng)切換裝置、報警裝置和USB充電裝置，根據(jù)使用場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，超聲波接收裝置接收到信號后，完成對特定跟隨目標(biāo)的定位，通過單片機發(fā)送移動命令控制電機運動；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，接收到紅外信號的光電傳感器發(fā)送信號給單片機，控制電機向?qū)?yīng)的方向轉(zhuǎn)動。報警裝置供電后一直處于工作模式，當(dāng)檢測不到地面物體時，發(fā)送信號給單片機，控制蜂鳴器發(fā)出報警信號。

2.2 超聲波跟隨系統(tǒng)程序設(shè)計

利用3個超聲波接收模塊接收到超聲波信號的時間差，計算出超聲波發(fā)射端相對于超聲波接收端的相對位置，從而實現(xiàn)對特定移動目標(biāo)的定位。超聲波信號發(fā)射端和超聲波接收端之間存在沒有對準(zhǔn)的問題，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不正確的情況。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并剔除錯誤的數(shù)據(jù)。剔除錯誤的基本原則如下：發(fā)射端相對于接收端3個超聲波模塊的相對位置有3種情況，偏左、偏右、偏中間。根據(jù)接收端3個超聲波的安裝位置，數(shù)據(jù)中的3個距離值之間的差值不會大于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

安裝在旅行箱上的3個光電傳感器供電后，將發(fā)射紅外信號，若左側(cè)的傳感器檢測到物體，右側(cè)的傳感器沒有檢測到物體，表明移動物體位于旅行箱左側(cè)，將執(zhí)行左轉(zhuǎn)命令；若右側(cè)的傳感器檢測到物體，左側(cè)的傳感器沒有檢測到物體，表明移動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 電機驅(qū)動程序設(shè)計

單片機控制直流電機時，需要加驅(qū)動電路為直流電機提供足夠大的驅(qū)動電流，本設(shè)計采用L298N驅(qū)動模塊，它可以同時驅(qū)動兩組電機，每個電機由單片機的兩個I/O口控制，通過單片機調(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)時間在一個周期時間內(nèi)的百分比[10]。控制電機的轉(zhuǎn)速時，占空比越大，速度越快，我們設(shè)置旅行箱在完成前進(jìn)命令時占空比為100%，執(zhí)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時占空比為50%。

3 系統(tǒng)測試

在環(huán)境溫度正常的室外對智能跟隨旅行箱的跟隨性能進(jìn)行了測試，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，報警裝置的報警距離為離地20cm，系統(tǒng)整體性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

以STC89CS52為主要芯片，設(shè)計并制造了智能跟隨旅行箱，具有反應(yīng)迅速，定位準(zhǔn)確，實時跟蹤的特點，定位于日常生活使用，具有操作簡單，自動化程度高，成本低等優(yōu)勢。根據(jù)使用場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看，可以運用于生活的許多場合下，如機場乘客的行李搬運，大型商場的職能購物車，還有大型車間中設(shè)備檢驗人員的工具搬運等多種場合，它能很好的解放我們的雙手。

[1]蔡磊,周亭亭,郭云鵬等. 基于超聲波定位的智能跟隨小車[J].電子測量技術(shù),2013,36(11)：76-79.

[2]陳潔,余詩詩,李斌等.基于雙閥值比較法超聲波流量計處理信號[J].儀器儀表學(xué)報,2014,35(10)：2223-2230.

[3]張艷,賈應(yīng)煒.基于HC-RS04模塊的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(3)：101-104.

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[5]章隆彬,邱橫,馬國榮.基于Android操作系統(tǒng)的XK-I教育機器人平臺設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2013,32(8)：50-53.

[6]王國宏,毛士藝,何友.紅外傳感器目標(biāo)跟蹤算法[J].火力與指揮控制,2001,26(2)：5-9.

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[8]李桂芝,賈峰,閆海鯤.紅外測量圖像自適應(yīng)彩虹碼偽彩色編碼方法[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(4)：36-39.

[9]劉磊,孫曉菲,張煜.基于STM32的可遙控智能跟隨小車設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2015,38(6)：31-33.

[10]趙海蘭.基于單片機的紅外遙控智能小車的設(shè)計[J].電子世界,2011,08：45-47.