智能跟隨小車的設(shè)計(jì)與制作

張春梅， 溫新權(quán)， 胡高天， 李政權(quán)

（廣西科技師范學(xué)院， 廣西 來賓 546100）

0 引言

自20 世紀(jì)70 年代以來， 國(guó)內(nèi)外在對(duì)智能小車的研究上取得許多突破性成果， 但目前還沒研制出一款針對(duì)解放雙手的跟隨小車。此外，紅外線成像等技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，相應(yīng)的元器件也從軍品轉(zhuǎn)民用，從純進(jìn)口到國(guó)產(chǎn)化，為我們智能跟隨小車的研制提供便利。

近些年，我國(guó)向全面小康穩(wěn)步邁進(jìn)，但我國(guó)老齡化日趨嚴(yán)重，這造成了一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問題：四到八個(gè)老人和三個(gè)孩子得由兩個(gè)年輕人贍養(yǎng)。此外，隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，很多在職人員選擇在職考研、考證，這形成了繁忙的快節(jié)奏生活，而適當(dāng)放松，保持良好心情的人群工作效率更高，患病概率也更小。 因此，解放雙手成了廣大年輕人的強(qiáng)烈愿望。

1 小車硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 針對(duì)上述問題的解決方案

為解決上述問題，本文提出下列技術(shù)方案：一種智能跟隨小車，智能跟隨小車結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，包括車體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、遙控手環(huán)及控制模塊。 車體設(shè)有鋰電池，與控制模塊電連接，保障小車的電力供給；設(shè)有儲(chǔ)存?zhèn)}，頂部設(shè)有與儲(chǔ)存?zhèn)}連通的開口，用于外出時(shí)存放物；設(shè)有射頻標(biāo)簽及射頻天線，遙控手環(huán)設(shè)有射頻閱讀器，以使遙控手環(huán)獲得射頻標(biāo)簽的位置信息與控制模塊通信連接； 設(shè)有語音對(duì)話模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；設(shè)有語音報(bào)警以及心率檢測(cè)模塊，為老年人的生命健康提供保障；針對(duì)沒有電梯的樓層設(shè)有爬樓輔助裝置， 小車爬樓輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 智能跟隨小車的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 小車爬樓輔助裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 小車整體構(gòu)架

智能跟隨小車采用體積小、 重量輕、 能量密度高的18650 鋰電池，保障小車的正常電力供給，智能跟隨小車控制模塊框圖，見圖3，包括驅(qū)動(dòng)輪、RF 射頻模塊、語音報(bào)警模塊、語音對(duì)話模塊、紅外避障模塊、超聲波測(cè)距模塊、LM1602 液晶顯示模塊。 調(diào)節(jié)撥動(dòng)開關(guān)連通電源，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，小車按照設(shè)置的程序正常行駛。紅外模塊檢測(cè)前方障礙物， 當(dāng)檢測(cè)到障礙物并小于預(yù)設(shè)值時(shí)反饋給單片機(jī)。 單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)。同時(shí)，通過超聲波模塊測(cè)量障礙物與小車之間的距離是否在預(yù)設(shè)值內(nèi)， 并通過LM1602 液晶模塊顯示距離， 當(dāng)超出預(yù)設(shè)值則發(fā)出警報(bào)提醒使用者避開障礙物。 語音報(bào)警功能用以小車脫離跟隨范圍后以及前方有障礙物發(fā)出提醒。

圖3 智能跟隨小車的控制框圖

1.3 小車各模塊運(yùn)用的技術(shù)

1.3.1 單片機(jī)控制模塊

智能跟隨小車使用STC89C52RC 型號(hào)單片機(jī)， 成本低、性能好、自帶RC 時(shí)鐘振蕩電路，在不接外部晶振情況下也可為電路提供時(shí)鐘信號(hào)。它可直接使用原始程序；體積小可放在儀器內(nèi)部；保密性強(qiáng)，無法解密。 P0 和P2具有單片機(jī)地址、 數(shù)據(jù)總線口作用，P3 口可用于控制定時(shí)、計(jì)數(shù)器。 XTAL1（第18、19 腳）外接晶振用于產(chǎn)生脈沖，為MCU 工作提供時(shí)鐘信號(hào)。 P0 口接LM1602 液晶顯示器，P3 口接紅外避障模塊和超聲波測(cè)距模塊。

1.3.2 紅外避障模塊

智能跟隨小車裝有紅外避障模塊， 該模塊使用高精度、低功耗的LM393 雙電壓比較器集成電路，接通電源時(shí)輸出一個(gè)高電平給紅外發(fā)射管V1、V5， 發(fā)射管發(fā)出紅外線， 電阻R9、R10 為限流電阻， 用來保護(hù)發(fā)射管V1、V2，避免電壓過高把發(fā)射管擊穿。紅外接收管是一個(gè)光敏二極管， 內(nèi)部有一個(gè)PN 結(jié)， 接反向電壓才能正常工作。當(dāng)前方無障礙物無紅外光反射回來時(shí)，二極管未導(dǎo)通，比較器輸出高電平；當(dāng)前方有障礙物接收到紅外光時(shí)，二極管導(dǎo)通，比較器輸出低電平。此時(shí)發(fā)光二極管D1/D3 接通并發(fā)光，表示障礙物在小車左側(cè)/右側(cè)。 此外，可通過電位器旋鈕W1、W3 調(diào)節(jié)檢測(cè)距離， 有效距離范圍為2～80cm。 紅外避障模塊利用單片機(jī)P3 口上的定時(shí)器實(shí)時(shí)檢測(cè)紅外信號(hào)反射情況，12MHz 晶振產(chǎn)生周期為2ms 的方波，實(shí)現(xiàn)1ms 檢測(cè)一次紅外光并反饋，當(dāng)小車前方出現(xiàn)障礙物時(shí)接收到一個(gè)低電平，小車避開障礙物。

1.3.3 超聲測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊HC-SR04 主要由兩個(gè)超聲波傳感器組成， 分為發(fā)射和接收模塊。 該模塊使用了體積小的STC11 單 片 機(jī)， 利 于 節(jié) 省 模 塊 空 間，P6.4、P6.5 口 外 接12MHz 晶振給單片機(jī)提供脈沖信號(hào)定時(shí)檢測(cè)超聲波信號(hào)接收情況，P5.0 口接收到TRIG 發(fā)送端信號(hào)后發(fā)送一段超聲波波形給MAX232， 然后P6.0 口返回一段ECHO 接收端信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)后，測(cè)量從觸發(fā)到回波接收的時(shí)間差，轉(zhuǎn)換距離[4]。 接收到信號(hào)后檢測(cè)高電平持續(xù)時(shí)間轉(zhuǎn)換成小車與障礙物的距離再將數(shù)據(jù)傳送到STC89C52RC單片機(jī)顯示在LM1602 液晶顯示屏上。其中，52 單片機(jī)的P2.1 口連接到控制端TRIG，P2.0 口連接到返回端ECH0，用于接收超聲波模塊檢測(cè)到的障礙物與小車的距離。

測(cè)量的障礙物距離由LM1602（液晶模塊，兩行，每行16 個(gè)字符）顯示，V0（第三腳）通過10kΩ 電位器調(diào)整顯示對(duì)比度。 連接到P3.3 口的RS（引腳4）：高電平為1 時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平為0 時(shí)選擇指令寄存器。RW（第五腳）連接到P3.4 口。高電平讀數(shù)據(jù)，低電平寫數(shù)據(jù)。En（引腳6）是使能端，當(dāng)高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，讀/寫操作有效。D0～D7（引腳7～14）為8 位雙向數(shù)據(jù)終端，其中D0 必須連接到單片機(jī)的最低位P0.0 口。 第15 個(gè)引腳是背光源的正極，用于為L(zhǎng)ED 供電并照亮LM1206。 第16 個(gè)引腳是背光源負(fù)極。

1.3.4 RF 射頻模塊

與紅外模塊相比， 射頻通信模塊具有更高的傳輸功率和更長(zhǎng)的傳輸距離，適用于惡劣條件下的通信。模塊運(yùn)行時(shí)，主要將無線通信信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的無線信號(hào)波形，然后通過天線諧振發(fā)送出去。工作時(shí)，特定頻率的射頻信號(hào)由讀卡器通過發(fā)射天線發(fā)送出去。 當(dāng)發(fā)射天線的工作區(qū)域有射頻卡進(jìn)入時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流， 并通過射頻卡內(nèi)置的發(fā)射天線把自己的編碼和其它信息發(fā)送出去。 在操作過程中，若手環(huán)的接收天線收到一個(gè)載波信號(hào)，這個(gè)信號(hào)需要經(jīng)過天線調(diào)節(jié)器才能正常傳送到閱讀器， 再利用閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后才能送到后臺(tái)的主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理； 該卡的合法性由主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷，并針對(duì)不同設(shè)定做出對(duì)應(yīng)的處理和控制，發(fā)出相應(yīng)的指令信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作[5]，可實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)跟隨、老人心率異常自動(dòng)報(bào)警呼救。

1.3.5 語音報(bào)警模塊

語音報(bào)警模塊用于小車跟丟、 老人心率異常等情況進(jìn)行語音報(bào)警，模塊事先設(shè)定好聲音，根據(jù)設(shè)定的情況播放出特定的聲音，以警示使用者。 該模塊使用了JQ8900-16P 芯片，BUSY（管腳2）接一個(gè)指示燈，當(dāng)有音頻播放時(shí)管腳輸出高電平，指示燈被點(diǎn)亮，無語音播放時(shí)管腳輸出低電平，指示燈熄滅。RX（管腳3）、TX（管腳4）用于輸入、輸出串行數(shù)據(jù)。 DAC（管腳16）用于音頻的輸出，可以外接一個(gè)功放。 SPK（管腳7、8）接無源喇叭，用于播放音頻。IO1～I(xiàn)O7（管腳9～管腳15）用來觸發(fā)輸入口播放設(shè)定好的聲音。

1.3.6 心率檢測(cè)模塊

心率檢測(cè)模塊利用反射式光電心率傳感器的光學(xué)原理檢測(cè)流經(jīng)皮膚的血液流量， 通過專用軟件算法處理得到當(dāng)前的心率，我們稱之為L(zhǎng)ED 偵測(cè)法。 因?yàn)檠簝A向于吸收綠光反射紅光，將該模塊安裝在手環(huán)上，手環(huán)將一束光打在皮膚上， 心臟在收縮和舒張時(shí)會(huì)產(chǎn)生顏色不同的反射光，手環(huán)可以通過檢測(cè)這些反射光來記錄心率，當(dāng)檢測(cè)到心率不正常時(shí)發(fā)射一個(gè)RF 射頻信號(hào)給小車觸發(fā)語音報(bào)警。 該模塊主要用到反射式光學(xué)傳感器TCRT1000/LTH1550/SFH7050、精密運(yùn)算放大器LST221。

1.3.7 語音對(duì)話模塊

利用現(xiàn)有的比較成熟的語音對(duì)話技術(shù)模塊拼接到小車上，通過語音識(shí)別技術(shù)（ASR）識(shí)別出使用者說話的內(nèi)容（NLP），進(jìn)行算法分析查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫后反饋回相應(yīng)的答復(fù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

2 小車系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 STC89C52RC 單片機(jī)紅外避障程序

利用單片機(jī)P3 口的TMOD 寄存器檢測(cè)紅外線接收情況，控制小車及進(jìn)行紅外避障。當(dāng)檢測(cè)到右側(cè)有障礙物時(shí)，小車向左行駛；當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)有障礙物時(shí)，小車向右行駛；當(dāng)檢測(cè)到兩側(cè)都有障礙物時(shí)，小車向后退。 紅外避障模塊程序框圖見圖4。

圖4 紅外避障模塊程序框圖

2.2 STC89C52RC 單片機(jī)超聲波測(cè)距程序

使用模塊：HC-SR04，74ALS04，LM1602 液晶顯示器。

HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能， 測(cè)距精度可達(dá)到3mm； 該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路[6]。 模塊發(fā)送端TRIG接單片機(jī)的P2.1 口，接收端ECH0 接P2.0 口，用P3 口的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收端高電平持續(xù)時(shí)間從而計(jì)算出小車與障礙物的距離顯示在LM1602 上，實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。且檢測(cè)到小車前方有障礙物時(shí)發(fā)出警報(bào)， 提醒人們躲避障礙物，超聲波測(cè)距程序框圖見圖5。

圖5 超聲波測(cè)距程序框圖

3 結(jié)束語

現(xiàn)如今，社會(huì)飛速發(fā)展，各式各樣的人工智能走入普通百姓的生活，給大家?guī)碓S多便利，但年輕人也把更多時(shí)間、心思放在工作上，外出務(wù)工人數(shù)增加，導(dǎo)致留守兒童、空巢老人數(shù)量劇增。三胎政策的開放也讓年輕媽媽可以多生幾個(gè)寶寶，但一個(gè)媽媽要同時(shí)帶幾個(gè)孩子，還要做家務(wù)、忙工作，甚至還要學(xué)習(xí)提升自己，實(shí)在忙不過來。這些問題結(jié)合起來就變成一個(gè)相當(dāng)大的問題， 它對(duì)人們的工作生活造成極大影響。 研究開發(fā)一款智能跟隨小車在一定程度上解放了人們的雙手， 也讓留守兒童和空巢老人得到更多的陪伴，實(shí)現(xiàn)一物多用，具有一定意義。

本研究也存在一些不足， 例如， 小車?yán)m(xù)航時(shí)間不夠長(zhǎng)，載重能力不夠強(qiáng)，遇到泥濘道路、陡坡會(huì)影響小車的前進(jìn)。解決辦法是給小車電池增設(shè)太陽能充電模塊，可自行充電，給車輪增設(shè)防滑、爬坡模塊并盡量選擇質(zhì)量輕的材料來制作小車，。 本研究沒有與GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，因而無法為使用者導(dǎo)航，把他們帶到任何想去的地方，后期可通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。