基于单片机自动跟随小车的设计与制作

基于单片机自动跟随小车的设计与制作

摘 要：随着科学技术的发展，人们越来越需要一种能够解放双手，提高工作效率，自动搬运货物的系统。本文介绍一种基于超声波定位、红外特定跟随及单片机控制的自动跟随小车。该小车通过安装在前方的3个超声波传感器实时测距，监测小车与主人的位置信息，配合直射式红外发射及接收管，反馈给单片机来调整小车的动作和速度。该系统结构设计简单，可靠性高，具有广泛的应用的价值。

关键词：超声波定位；红外收发管；特定跟随

0 引言

现有的移动跟随设备在对移动目标跟随方面不够灵活，基于STC89C51RC单片机、超声波传感器和直射式红外接受装置的自动跟随小车，应用的智能化自动跟随系统可以显著减少人工劳动量，提高工作效率。自动跟随小车可以对移动目标进行特定跟随，可以应用于超市、宾馆、酒店等公共场合，也可以应用于各种运输物品的场所。

1 硬件结构设计

1.1 硬件总体设计

硬件整体设计包括控制系统和各类模块，由中心控制系统控制多个模块相互配合完成工作。模块部分由超声波模块、红外模块、电机驱动模块、避障模块、警报模块和电源模块组成。跟随小车实物图如下图所示。

1.2 控制系统

为了实现对特定目标的自动跟随，小车以51单片机为控制核心，配合超声波定位模块、红外特定识别模块、避障模块实现特定跟随。

1.3 超声波模块

超声波模块采用T/R40-16超声波发射器，T/R40-16超声波发射器是外壳直径16cm，中心频率40khz的传感器。超声波定位系统可以在一定范围内无接触定位，定位精度可达1cm[1-2]。

1.4 红外模块

红外模块采用TL9408直射式红外发射接收管，红外通信利用红外技术实现两点间转发，并采用PWM脉冲调制的方式，调制成一定频率的脉冲序列，经过接受管光脉冲向电信号的转化以及信号解调、滤波，最终解码为二进制。

1.5 电机驱动模块

移动系统采用L298N电机驱动器驱动电机。系统采用四个电机分别驱动四个主动轮，可以获得大的功率和速度，通过改变输入L298N驱动板的使能端的方波脉冲的占空比实现对减速电机的速度和转向调节，达到速度可调，噪声小，满足自动跟随小车的设计要求[3]。

1.6 避障模块

3个传感器分布在小车后方，在50cm内检测到障碍物输出低电平，无障碍物输出高

电平，以此用于判断后方的情况。

1.7 电源模块

供电系统采用两节3.6V锂电池，可提供7.2V的电压。其中7.2V直接对电机驱动板供电，用L7805CV稳压芯片将电压稳压至单片机系统额定工作电压5V，为单片机最小系统及其外缘电路供电。

2 系统原理设计

2.1 控制系统设计

控制系统由STC89C51RC单片机最小系统及其外缘电路组成，控制小车在直射式红外发射与接收模块先接收到发射者提供红外波执行信号的情况下再执行超声波模块，当收到与滤波器相同频率的声波时，触发中断，并启动时钟发生器（定时器/计数器）进行超声波返回时间的计算，经过微处理器单片机进行相应的距离算法的计算以及根据超声波模块返回的电平数值进行方向判断，确定跟随目标具体位置，从而控制移动系统进行可编程的PWM调速进行特定目标跟踪[4]。

2.2 目标定位系统

定位系统由超声波模块和红外模块构成。小车最前方中轴线处设置一个超声波，以中轴线为参考点水平偏移6.5cm左右偏置65度分别设置两个超声波，形成最大230度监测范围。距中轴线左右2cm处，分别放置红外接收管在小车跟随目标的过程中，使用者携带红外发射管，当小车前端红外接收管接收到红外信号时，判断为“主人”，通过小车前端布

置的3个超声波返回的距离，根据三点定位算法确定目标的位置，配合小车后端红外传感器的避障功能，利用PID算法驱动电机动作，实现对目标的跟随，由于反复比较小车与跟随目标的距离，准确的确定了目标的位置。

3 实验测试

3.1 整体运行测试

经过模拟环境运行测试，各个系统运行状态良好，能够完成对移动目标特定自动跟随、避障报警动作。

3.2 超声波转角范围测试

在室外空旷场地，温度大约为25°C环境下，对小车进行超声波转角范围测试表明：小车最前方中轴线位置设置的T/R40-16超声波发射器，以中轴线为参考点水平偏移6.5cm左右偏置65度分别设置两个超声波发射器，可以形成最大230度监测范围，在对移动目标进行灵活捕捉和跟踪前提下，实现了最大程度范围监测。

4 结束语

本文介绍了以51单片机为控制核心的自动跟随小车，结合超声波传感器测距，红外接受装置对目标特定识别和光电传感器避障，通过PID算法调节电机转速，实现了对特定目标的自动跟随，同时报警系统保证了小车的安全性。本设计结构简单，易于实现，采用模块化设计，系统具有良好的独立性和扩展性，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]李戈，孟祥杰，王晓华，王重秋.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学，2011（07）：60.

[2]蔡磊，周亭亭，郭云鹏，陈素芳，吴汉帮.基于超声波定位的智能小车[J].电子测量技术，2013（11）：76-79.

[3]陈亭，张玉芳，郑明成，王富东.基于超声波探测的目标跟踪机器人[J].中国科技信息，2009（01）：37.

[4]焦玉朋.基于51单片机的PWM直流电机调速系统 [D].内蒙古：内蒙古大学物理科学与技术学院，2013：5-6.

资助项目：哈尔滨理工大学大学生创新创业训练计划项目（2014CX0114）

作者简介：聂宪波（1994-），男，黑龙江依安人，本科，学生，研究方向：电子信息工程。