基于超聲波與紅外感應的智能跟隨旅行箱

山東農業大學 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，到如今形態各異的便攜式手提箱、拉桿箱。但是現在普遍存在的問題是對于那些行動不便的人和經常外出的商務人員來說，笨重的旅行箱是一個累贅。我們設計了一款能夠對特定移動目標進行實時跟蹤的智能旅行箱，可以與特定目標保持一定距離，跟蹤特定目標，攜帶物品[1]。該款智能跟隨旅行箱有兩套跟隨裝置，根據使用場景可隨時切換超聲波跟隨系統和紅外跟隨系統。

1 硬件設計

1.1 系統總體設計

為實現智能跟隨旅行箱的功能，設計了超聲波跟隨系統、紅外跟隨系統、報警裝置、電機驅動等功能模塊。通過超聲波跟隨系統和紅外跟隨系統可分別測出特定跟隨目標的相對位置，以STC89C52為主控芯片，將特定跟隨目標的相對位置處理后將前進、后退、左轉、右轉信號發送給L298N電機驅動模塊，完成對左右2個電機的控制。電源給電機驅動模塊、STC89C52單片機和USB充電模塊供電。

1.2 超聲波跟隨系統

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，超聲波在介質中傳播時遇到不同的界面將產生反射、繞射、折射等原理在各行各業得到廣泛應用[2]。超聲波傳感器具有不易受環境因素干擾，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠等優點，因而超聲波經常用于距離的測量[3]。本設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3mm，由超聲波發射探頭、控制電路和驅動電路組成[4-5]。該模塊有4個引腳依次為：VCC、Trig、Echo、GND，采用IO觸發測距，提供至少10μs的高電平信號，模塊自動發射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

紅外線傳感器是利用紅外線來進行數據處理的一種裝置，有靈敏度高、價格低廉等優點，紅外線傳感器可以控制驅動裝置的運行[6]。此光電傳感器集發射與接收與一體，檢測距離可根據要求進行調節，具有探測距離遠、受可見光干擾小等特點，可廣泛應用與自動化產品的控制[7]。本紅外跟隨系統由3個E18-D80NK漫反射式紅外光電開關設計而成，分別位于旅行箱的左側、中間和右側，當左側光電傳感器檢測到移動目標時，將觸發信號發送給單片機，控制電機執行左轉命令；中間光電傳感器檢測到移動目標時，執行前進命令；右側光電傳感器檢測到移動目標時，執行右轉命令，3個光電傳感器同時檢測到信號時，表明移動目標與旅行箱的距離太小，執行停止命令。

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，當紅外傳感器檢測到物體時，持續發送低電平信號。該模塊的檢測距離為2～30cm，檢測距離可通過電位器進行調節，當旅行箱被提起時，紅外傳感器檢測不到物體時將持續發送信號給單片機，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 電機驅動模塊

電機驅動模塊由1個L298N電機驅動板、2個4085大扭力直流電機組成[8]。L298N由6節18650組成的電池組供電，額定工作電壓12V，具有驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強等優點，可以引出5V電壓給單片機供電。該模塊是2路H橋驅動，可同時驅動2個電機，使能ENA、ENB后，分別從IN1、IN2輸入PWM信號驅動左電機的轉速和方向，分別從IN3、IN4輸入PWM信號驅動右電機的轉速和方向[9]。

2 軟件設計

2.1 主程序設計

打開電源開關后，啟動系統切換裝置、報警裝置和USB充電裝置，根據使用場景的要求切換超聲波跟隨系統和紅外跟隨系統。當開啟超聲波跟隨系統后，超聲波發射裝置發射超聲波信號，超聲波接收裝置接收到信號后，完成對特定跟隨目標的定位，通過單片機發送移動命令控制電機運動；當開啟紅外跟隨系統后，光電傳感器將發射紅外信號，接收到紅外信號的光電傳感器發送信號給單片機，控制電機向對應的方向轉動。報警裝置供電后一直處于工作模式，當檢測不到地面物體時，發送信號給單片機，控制蜂鳴器發出報警信號。

2.2 超聲波跟隨系統程序設計

利用3個超聲波接收模塊接收到超聲波信號的時間差，計算出超聲波發射端相對于超聲波接收端的相對位置，從而實現對特定移動目標的定位。超聲波信號發射端和超聲波接收端之間存在沒有對準的問題，會出現數據不正確的情況。需要進行數據處理并剔除錯誤的數據。剔除錯誤的基本原則如下：發射端相對于接收端3個超聲波模塊的相對位置有3種情況，偏左、偏右、偏中間。根據接收端3個超聲波的安裝位置，數據中的3個距離值之間的差值不會大于20cm，根據限制條件，推導出正確數據的規律。

2.3 紅外跟隨系統程序設計

安裝在旅行箱上的3個光電傳感器供電后，將發射紅外信號，若左側的傳感器檢測到物體，右側的傳感器沒有檢測到物體，表明移動物體位于旅行箱左側，將執行左轉命令；若右側的傳感器檢測到物體，左側的傳感器沒有檢測到物體，表明移動物體位于旅行箱右側，將執行右轉命令；其他情況下將執行前進命令。

2.4 電機驅動程序設計

單片機控制直流電機時，需要加驅動電路為直流電機提供足夠大的驅動電流，本設計采用L298N驅動模塊，它可以同時驅動兩組電機，每個電機由單片機的兩個I/O口控制，通過單片機調節使能輸出不同占空比的PWM波形。占空比是指高電平持續時間在一個周期時間內的百分比[10]。控制電機的轉速時，占空比越大，速度越快，我們設置旅行箱在完成前進命令時占空比為100%，執行左轉、右轉時占空比為50%。

3 系統測試

在環境溫度正常的室外對智能跟隨旅行箱的跟隨性能進行了測試，分別選擇超聲波跟隨系統和紅外跟隨系統觀察是否準確跟隨，兩種跟隨系統都很好的實現了跟隨的功能，其中超聲波跟隨系統最遠距離為4m，紅外跟隨系統最遠距離為2m，報警裝置的報警距離為離地20cm，系統整體性能優良。

4 結論

以STC89CS52為主要芯片，設計并制造了智能跟隨旅行箱，具有反應迅速，定位準確，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，成本低等優勢。根據使用場景可選擇超聲波定位系統及紅外跟隨系統。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,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].儀器儀表學報,2014,35(10)：2223-2230.

[3]張艷,賈應煒.基于HC-RS04模塊的超聲波測距系統設計[J].自動化技術與應用,2016,35(3)：101-104.

[4]蘭羽.具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計[J].電子測量技術,2013,36(2)：85-87.

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

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

[7]李從宏.基于功能碼的紅外遙控軟件解碼技術[J].單片機與嵌入式系統應用,2010,9：72-73.

[8]李桂芝,賈峰,閆海鯤.紅外測量圖像自適應彩虹碼偽彩色編碼方法[J].長春理工大學學報(自然科學版),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計[J].電子測量技術,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計[J].電子世界,2011,08：45-47.