智能跟隨小車設計

喻語嫣 肖明杰

(武漢文理學院信息與計算機學院 湖北武漢 430345)

近年來，隨著科學技術的飛速發展，智能移動機器人技術也在不斷發展，傳統的機械運輸方式有被取代的趨勢。對可移動目標能夠自動跟隨的智能小車，在搬運行李、運輸材料以及人們日常生活中有著廣泛的應用前景[1-2]。目前，市場上已經存在一些具有自主巡線功能的移動小車類產品，但是需要提前規劃好路經，設置好程序才能進行無人車運行，在小車目標跟隨方面考慮得比較少，跟隨效果比較差[3-5]。還有一部分智能小車利用攝像頭來獲得跟隨目標的運動狀態，然后利用云端計算機結合目標檢測算法對小車采集到的視頻流進行實時分析計算，這種方法跟隨效果較好，抗干擾能力強，但實現過程比較復雜，對技術有很高的要求[6-10]。本文設計了一款基于紅外技術和超聲波測距的智能跟隨小車，可實現小車對人的自動跟隨，并與人保持0.5 m的安全距離，防止碰撞，具有工作穩定、成本低、便于推廣的特點。

1 智能小車設計框圖

該系統主要是由硬件和軟件兩部分組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

它包含穩壓電路的設計、人體紅外感應模塊、超聲波模塊、L298N 驅動模塊。該車以AT89C52 單片機為核心，通過3 個人體紅外模塊識別人體特有的紅外線信息，同時通過超聲波傳感器測量人與小車的距離，將兩種信號同時傳給AT89C52 芯片進行處理，將處理后的信號傳給電機驅動器來實現小車的轉彎，直行和后退。當左邊傳感器或者左邊和中間傳感器檢均測到信號時小車左轉；當右邊傳感器或者右邊和中間傳感器均檢測到信號時小車右轉；只有中間傳感器檢測到信號時直行；左右傳感器同時檢測到信號為誤判，小車還是直行；3 個傳感器均未檢測到信號時，小車停止；當人與小車的距離小于0.5 m時，小車報警并后退。

2 智能跟隨小車硬件電路設計

2.1 穩壓電路設計

該系統中智能車使用電源控制芯片有MIC29302和SPX2940。如果給車供電的電池電壓過大，可能擊壞小車的核心控制芯片或者模塊。所以，選擇MIC29302和SPX2940這兩個穩壓芯片來控制輸入電壓的大小，從而降低損耗。

MIC29302芯片在本設計中的作用是將輸入電壓降到6 V之后給驅動模塊供電，防止輸入電壓過大。電機驅動芯片的電壓要求是6～12 V，該設計使用了兩個電機，當它接入的電壓值過大時，電機的轉速過快，導致難以控制，會給后期調試帶來一定的難度，所以用MIC29302芯片將輸入電壓降到6 V。此芯片所能承受的輸入點電壓范圍為2.25～26 V，輸出電壓為1.24～25 V；可承受最大的電流為3 A；6 V 降壓模塊原理圖詳如圖2所示。

圖2 6 V降壓模塊原理圖

SPX2940-5.0 芯片在本設計中的作用是將6 V 的輸入電壓降到5 V，從而給AT89C52核心芯片以及其他模塊供電。此芯片輸入電壓最大值為26 V，輸出點電壓為5 V；最大承受電流為1 A；5 V降壓模塊原理圖詳見圖3。

圖3 5 V降壓模塊原理圖

圖3 中1N5819 二極管作用還是用來判斷電源是否接反了；電容的主要作用是濾波；LED燈是用來檢查焊接的電路是否正常工作。

2.2 人體紅外感應模塊

此模塊是HC-SR501 模塊，人體紅外感應模塊原理圖如圖4所示。

圖4 人體紅外感應模塊原理圖

2.3 超聲波模塊

Trig 是輸入觸發信號（可以觸發測距），Echo 是傳出信號反響（可以傳回時間差）。超聲波HC-SR04 采用IO口TRIG觸發測距，給一個最低為10 μs的高電平信號，當其在正常頻率工作時會隨機發射出8 個頻率在40 kHz 以下的方波，并且它具有自動地檢測有無信號返回的功能[11-13]。接收返回的信號時，ECHO口會立即自動地輸出一個高電平，超聲波信號來回的總的路程與所用的持續時間，等于超聲波輸出一個高電平需要持續的總時間長度。此模塊測得的最遠距離為4 m，測得的最近距離為2 cm，將此超聲波避障測距模塊固定在車頭前方，作用是測試前方的人與小車之間的距離。在測試過程中發現，當小車與人的距離過近時，人后退而小車后退速度太慢，就很容易踩到小車。經過多次實驗，小車與人的距離大于0.5 m 時，人后退就很難踩到小車。基于以上的原因，本設計添加了當小車與人的距離小于0.5 m時報警并后退的功能，保證人與小車之間的安全距離，防止發生碰撞。

2.4 LCD1602顯示模塊

此模塊的作用是用來顯示紅外模塊和超聲波模塊傳送回來的信號值。它的工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2 mA。5 kΩ 滑動變阻器是用來調節LCD1602的顯示亮度的，RS在此模塊中充當的是命令和數據區分的作用，當RS處于低電平狀態時，則它的工作是命令，否則工作狀態為數據；RW是讀和寫（數據或命令）的選擇引腳，當RW處于高電平的狀態時，則是從LCD1602讀取命令或者數據，否則是向LCD1602寫入數據或者命令；WR為模塊的使能端。D0-D7對應的是LCD1602的數據輸入和輸出引腳。此模塊的最佳工作電壓為5 V，在5 V時顯示的數據最為清楚。

2.5 L298N驅動模塊

該主控模塊主要的功能是由控制芯片L298N來同時控制左右兩個步進電機的偏正方向或正向反轉，以及可自動地改變正負兩個同步電機轉子間電機的同步與轉速。L298N驅動模塊原理圖詳見圖5。

圖5 L298N驅動模塊原理圖

L298N 芯片是一種具有高壓、大輸出電流輸入的雙全橋式驅動器。其SENSEA、SENSEB芯片分別也都是帶有兩個H橋式的高壓輸出大輸入電流輸出反饋輸出插腳，在不用時也可進行連接。VCC、VS 接口兩端基本都是串接一個工作電源引腳，電流范圍上一般會分別設置約為直流的4.5～7 V、2.5～46 V，在單片機實際電路設計中使用情況中一般是VCC 輸入輸出端會單獨和單片機電源端在一起用來共享一個5 V左右的工作電源，而VS接口輸出電源端口則通常只可以單獨地用來接受另一個6～12 V 供電。ENA、ENB 輸入端是一個使能的輸出端口，在低的電流平時它是一個阻攔電流輸出。IN1、IN2、IN3、IN4 分別設為數據輸出的輸入端口引腳，是用來控制OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 上面的電平的。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別均設置為數據輸出的輸出引腳控制的是外接的電機轉動。D1～D8都是保護放電二極管（SS34）的二極管，用途是保護或釋放掉蓄電池在啟動電機后突然停車或放電結束時放電產生發射出來電流的回響反映尖峰電勢，如果不釋放它則會擊壞L298。

該車首先通過51單片機作為總控芯片，然后通過紅外模塊進行人體檢測，將所采集的信號以0或1的數據返回給單片機；之后使用超聲波模塊，對前進時的障礙物進行距離檢測，當前方固定范圍內沒有障礙物存在時進行正常的形式，當前方范圍存在障礙物時進行后退報警；最后將紅外模塊和超聲波模塊所采集到的數據在顯示屏上展示出來，智能跟隨小車實物如圖6所示。

圖6 智能跟隨小車實物圖

3 智能跟隨小車軟件程序設計

上電之后先進行系統初始化，包括定時器、人體紅外、超聲波、lcd1602等模塊初始化。本系統中定時器是用于人體紅外模塊檢測，超聲波檢測和PWM信號的產生。因為紅外和超聲波可以放在一個定時器中所以只需要兩個定時器并對其進行相關定時設置，在lcd1602初始化完畢之后就進入到while（1）循環當中，當3個方位的紅外檢測信號返回主芯片，然后主芯片對它進行編碼使它檢測到人為1，反之則為0，如果信號為1 則給PWM傳輸高電平，實現車直行、左轉、右轉等功能。若返回值為0，則小車停止，等待紅外重新檢測。在車行駛的過程中超聲波將以10 μs的間隔檢測一次。當超聲波返回值大于0.5 m且小于4 m時，車將正常行駛。若當車與人之間的距離小于0.5 m時，車載蜂鳴器將報警且車開始后退。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.1 紅外模塊

此模塊對于檢測到的物體的返回值只存在兩個值，當檢測到人體時返回給單片機的信號為1，反之則為0。由于存在著返回值覆蓋的問題，所以將它放在了一個10 μs的定時器中斷里，這樣就有效地解決了覆蓋問題。中斷是由超聲波控制的，所以只要超聲波沒有接入，那么紅外模塊也不會檢測。紅外模塊流程圖見圖8，實現代碼如下：

圖8 紅外模塊流程圖

3.2 超聲波模塊

超聲波模塊的工作原理就是Trig先發出一個高電平信號，延時一段時間讓Trig變為低電平，Echo端口初始為0，當Trig 發出的信號遇到障礙物返回來時Echo變為高電平，通過這之間的時間差來計算車和物體之間的距離。既然出現了返回值的問題，那么就要避免第一個數據還沒有處理完，第二個數據就要處理的問題，所以它也被放在了10 μs 的中斷中，且它的代碼里面是控制定時器中斷開始和關閉的。由于HC-SR04超聲波模塊是通過接受反饋信號來進行距離檢測，并且需要根據AT89C52 單片機的晶振周期來進行設定，所以在11.059 2的晶振下，超聲波模塊流程圖如圖9所示，實現代碼如下：

圖9 超聲波模塊流程圖

3.3 顯示模塊

LCD1602主要用來顯示小車運行過程中傳感器所接收的信號，都是通過二進制來實現操作的，對LCD1602液晶模塊的讀/寫操作、顯示屏和光標的操作都是通過編程來實現的。可以將超聲波和紅外模塊傳輸回來的信號顯示的顯示器上面，當然它既然是一個內部的信號處理代碼，那么外部傳輸的代碼也是得存在的。值得注意的是，對于LCD1602模塊而言，盡量保證每次在使用前都進行一次初始化操作。根據數據手冊中的時序圖可知，此模塊反應的時間幾乎都是納秒級別的，所以它不同于其他顯示模塊可能會需要給延時函數來進行延時，從而達到避免信號值覆蓋或者是亂碼的情況，但是由于保險起見，其中需要延時的地方可以給予1 ms的延時，這個延時對于人的感受而言可以忽略不計，同時還可以讓模塊有足夠的時間進行程序的運行。實現代碼如圖10所示。

圖10 數字顯示代碼圖

3.4 驅動模塊

此次小車的驅動模塊主要是靠超聲波模塊和紅外模塊的傳回來的信號值來判斷是否前進、左轉、右轉、后退等驅動。上面介紹紅外模塊時已經提到，檢測到人的信號為1。同時用超聲波來判斷距離遠近，來選擇如何驅動。例如：當正前方有人，那么中間的紅外信號為1，其他紅外模塊都為0，同時和超聲波模塊一起，當距離大于0.5 m 時是前進，小于0.5 m 則代表前面人再后退，這時車上面帶的蜂鳴器就會開始報警，提示人們距離過近的同時車也會隨著人的后退而后退。實現代碼如圖11所示。

圖11 驅動模塊代碼圖

4 結語

樣車使用的是AT89C52 芯片，所以車所涵蓋的功能有限，后期可以換成tc264、MK60、STM32 等和社會接軌的主芯片，這些芯片的性能和可帶動模塊都比AT89C52芯片的多，不僅可以自主完善小車的性能，同時也可以給車增加新的功能。例如：增加攝像頭作為輔助判斷，使對前方是否有人的判斷更為精確；增加陀螺儀來檢測車的自生狀態是否處于上坡狀態或者下坡狀態來進行減速或者加速處理等。本文利用單片機控制器，結合人體紅外傳感器和超聲波傳感器設計的智能跟隨小車，實現了小車對人體的自動跟隨，當跟隨距離小于0.5 m 時報警并后退，保持安全距離。響應迅速，跟隨精度較高，性價比高，可應用于商場購物、超市搬運以及家居使用等生活常見場所。