基于STC15F4K60S4的智能隨動(dòng)小車(chē)設(shè)計(jì)

宋京 高原 金京

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種智能隨動(dòng)小車(chē)，提出了一種以STC5F4K60S4單片機(jī)為主控芯片，使用超聲波，配合紅外雷達(dá)，同時(shí)利用目標(biāo)定位算法，角度計(jì)算算法，求最短距離算法使智能隨動(dòng)小車(chē)能在各個(gè)方位準(zhǔn)確判斷自身與主人的相對(duì)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(zhuǎn)向時(shí)的跟隨問(wèn)題，并保持能在這些狀況下穩(wěn)定跟隨主人。

關(guān)鍵詞：隨動(dòng)小車(chē)；超聲波；紅外雷達(dá)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民物質(zhì)生活的提高，在智能器械領(lǐng)域也呈現(xiàn)出爆炸式需求。越來(lái)越多的智能化工具走進(jìn)了人們的生活，工廠中的智能機(jī)械手，智能化流水線，與人們生活更貼近的智能家居，以及發(fā)展前景巨大的智能汽車(chē)，可以說(shuō)以智能機(jī)器人為代表的智能技術(shù)已經(jīng)與人們的生活密不可分。本文設(shè)計(jì)的隨動(dòng)小車(chē)具有自動(dòng)跟隨目標(biāo)行動(dòng)，幫助運(yùn)輸物資，節(jié)省人力成本，費(fèi)用低，提高工作效率，可持續(xù)工作的特點(diǎn)[1]。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本文提出了一種智能隨動(dòng)小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以分為移動(dòng)主人和隨動(dòng)小車(chē)兩大部分。設(shè)計(jì)以STC15F4K60S4-LQFP44單片機(jī)為主控芯片，利用超聲波配合紅外雷達(dá)，首先判斷移動(dòng)主人與隨動(dòng)小車(chē)的相對(duì)位置，最后利用角度計(jì)算算法，以最短距離算法求得小車(chē)與移動(dòng)主人之間的距離和角度，并與設(shè)定的距離和角度相比，通過(guò)控制中心的處理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車(chē)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、加速、減速等操作，從而保證距離和角度與設(shè)定保持一致，并能在這種狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。本設(shè)計(jì)所涉及的主要技術(shù)有超聲波測(cè)距技術(shù)，紅外尋源技術(shù)[2]，電機(jī)控制技術(shù)，以及無(wú)線傳輸技術(shù)。

2 核心算法說(shuō)明

最短距離算法如圖1所示。其中：1為移動(dòng)主人；2為超聲波發(fā)射探頭1；3為紅外線發(fā)射探頭；4為隨動(dòng)小車(chē)；5為超聲波發(fā)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(shè)超聲波發(fā)射探頭1，與超聲波發(fā)射探頭2之間的距離固定為L(zhǎng)，車(chē)身長(zhǎng)度為L(zhǎng)1通過(guò)超聲波測(cè)距得出超聲波發(fā)射探頭1和超聲波發(fā)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(cè)得的較短距離），在已知三角形三邊長(zhǎng)度的情況下，我們可以根據(jù)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(zhǎng)）：

在具體系統(tǒng)中，設(shè)由車(chē)尾至超聲波發(fā)射探頭安裝位置的方向?yàn)檎较?，將小?chē)四周分為3個(gè)區(qū)域，即沿正方向，超聲波發(fā)射探頭安裝位置一側(cè)為前方區(qū)域，小車(chē)兩側(cè)為兩側(cè)區(qū)域，另一區(qū)域?yàn)楹蠓絽^(qū)域。

當(dāng)移動(dòng)主人位于前方區(qū)域時(shí)，隨動(dòng)小車(chē)到移動(dòng)主人的最短距離H為：

當(dāng)移動(dòng)主人位于側(cè)方區(qū)域或后方區(qū)域時(shí)，隨動(dòng)小車(chē)到移動(dòng)主人的最短距離H1為：

3 電機(jī)選型

根據(jù)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(chē)輪半徑為R=300 mm，運(yùn)貨物質(zhì)量m為20 kg，則小車(chē)滾動(dòng)一圈前進(jìn)：0.942 m

則1 min內(nèi)，需轉(zhuǎn) （5）

轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪的最小力矩為：

Md=mg×R=29.4 N·m （6）

傳動(dòng)比i為，機(jī)最大轉(zhuǎn)速和車(chē)輪最大轉(zhuǎn)速之比10.42，電機(jī)轉(zhuǎn)軸最小轉(zhuǎn)矩為2.82 N·m，可以算得P為：

JGB37-550型號(hào)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

由表1可知，發(fā)電機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩均在要求范圍內(nèi)，所以選擇JB37-550型號(hào)電機(jī)是合適的。

4 隨動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)步驟

步驟1：在移動(dòng)裝置上輸入移動(dòng)主人與隨動(dòng)小車(chē)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(yīng)保證在合理范圍內(nèi)。

步驟2：通過(guò)按鍵開(kāi)啟“學(xué)習(xí)”模式，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，紅外線發(fā)射探頭，和紅外線接收探頭開(kāi)始工作，舵機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始控制紅外線發(fā)射探頭在一定角度范圍內(nèi)自動(dòng)探測(cè)紅外線接收探頭位置，直至紅外信號(hào)被接收，移動(dòng)主人部分主控板單片機(jī)，將接收到紅外信號(hào)的信息通過(guò)無(wú)線傳輸傳送給隨動(dòng)小車(chē)部分主控板，控制舵機(jī)系統(tǒng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟3：確定移動(dòng)主人位置后，舵機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始控制兩個(gè)超聲波發(fā)射探頭旋轉(zhuǎn)，確保超聲波發(fā)射探頭與紅外線發(fā)射探頭方向一致，即對(duì)準(zhǔn)超聲波接收探頭位置。

步驟4：超聲波發(fā)射探頭與超聲波接收探頭工作，移動(dòng)主人部分主控板將兩個(gè)超聲波發(fā)射探頭分別到超聲波接收探頭的實(shí)際距離，通過(guò)無(wú)線傳輸給移動(dòng)小車(chē)主控單片機(jī)，移動(dòng)小車(chē)主控單片機(jī)通過(guò)比較判斷兩段距離是否相等，若不相等，則通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩距離相等。

步驟5：通過(guò)算法計(jì)算出移動(dòng)主人與隨動(dòng)小車(chē)之間的短距離和所構(gòu)成三角形角度，若此最短距離和角度大于或小于預(yù)先設(shè)定距離和角度，則隨動(dòng)小車(chē)進(jìn)行前進(jìn)后退或轉(zhuǎn)向移動(dòng)，直至檢測(cè)出兩者之間最短距離和角度等于預(yù)設(shè)距離和角度。

步驟6：學(xué)習(xí)模式結(jié)束后，移動(dòng)主人可以開(kāi)始移動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)處理器，實(shí)時(shí)檢測(cè)最短距離和隨動(dòng)角度數(shù)據(jù)，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速或減速行駛，從而使移動(dòng)主人與隨動(dòng)小車(chē)保持特定距離與角度前行。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)仍存在以下不足之處需要改進(jìn)和加強(qiáng)，如環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高軟件效率，從而提高系統(tǒng)效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]東旭.探路者到達(dá)火星[J].中國(guó)航天，1997（10）：23-27.

[2]張輝，王永杰，趙海敏.自動(dòng)尋跡智能小車(chē)的激光路徑跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（10）：1170-1173.

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