可可可可可可可可可可可可可编编编编编编编编编编编编编程程程程程程程程程程程程程器器器器器器器器器器器器器件件件件件件件件件件件件件应应应应应应应应应应应应应用用用用用用用用用用用用用　　电　子　测　量　技　术　　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ第３６卷第１１期２０１３年１１月　基于超声波定位的智能跟随小车＊蔡　磊　周亭亭　郭云鹏　陈素芳　吴汉帮（长春理工大学光电工程学院　长春　１３００２２）摘　要：设计并实现了一种基于超声波定位、红外避障以及单片机控制的智能跟随小车系统，在开发板ＡＶＲｍｅｇａ１６上完成了设计的全部功能。通过安装在载物小车顶部的无线电装置和超声波传感器，实时感知载物小车与主人的距离信息，并反馈给单片机用于控制电机的转速与载物小车的姿态。为了提高超声波定位系统的精度，采取了温度补偿措施。基于超声波四点定位系统高精度小盲区的设计使自动跟随小车能够３６０°转弯跟随，加上小车具有避障功能，使小车跟随目标更加精确和智能化。关键词：超声波定位；ＡＶＲｍｅｇａ１６；温度补偿；智能化中图分类号：ＴＰ２７４　　文献标识码：Ａ　　国家标准学科分类代码：Ｄ４２０Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃａｒｒｉａｇｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＣａｉ　Ｌｅｉ　Ｚｈｏｕ　Ｔｉｎｇｔｉｎｇ　Ｇｕｏ　Ｙｕｎｐｅｎｇ　Ｃｈｅｎ　Ｓｕｆａｎｇ　Ｗｕ　Ｈａｎｂａｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃａｒｒｉａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｆｏｌｌｏｗ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｏｂｓｔａｃｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｉｔ　ｃｏｍｐｌｅｔｓ　ａｌｌｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＡＶＲｍｅｇａ１６．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｏｆ　ｔｈｅｃａｒ，ｔｈｅ　ｃａｒ　ｃａｎ　ｓｅｎｓｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｈｅａｄ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ｉｎ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｔｈｅｎ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｔｕｒｅｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｄｏｐｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｔ　ｆｏｕｒ　ｐｏｉｎｔｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｓｍａｌｌ　ｂｌｉｎｄ　ａｒｅａ，ｍａｋｅｓ　ｔｈｅｃａｒｒｉａｇｅ　ｔｈａｔ　ｆｏｌｌｏｗｓ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｔｕｒｎ　３６０°ｔｏ　ｆｏｌｌｏｗ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃａｒｒｉａｇｅ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃａｒｒｉａｇｅ　ｆｏｌｌｏｗ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ＡＶＲｍｅｇａ１６；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉｏｎ　收稿日期：２０１３－０６　＊基金项目：本项目荣获第四届挑战杯大赛科技类作品长春理工大学一等奖，吉林省特等奖１　引　　言这些年来，小车智能化已是一种主流趋势，然而目前，国内市场上暂时还没有出现具有跟随性的智能载物小车。如今中国具有跟随性的产品，主要是有轨机械跟随，用于工厂的各类生产机车的一部分，或是比赛场的有轨跟随拍摄车，并没有实际针对超市、旅馆、飞机场等大众场合，或家庭个人的产品。基于超声波定位及单片机各模块的综合运用，设计了一款能够对特定移动目标进行实时跟踪的智能小车。利用超声波定位技术和跟随性技术可以根据不同场合的跟踪要求设置小车的跟踪距离和跟踪速度等参数，可以实现对移动目标的准确跟踪，帮助携带物品，解放人们双手。２　系统原理及硬件介绍系统实现了基于ＡＶＲｍｅｇａ１６单片机的小车智能跟随的功能。为实现小车对目标的智能跟随，采用了超声波定位、无线电通信、红外避障等功能模块设计［１］。由于系统采用模块化的设计思想，系统整体的实时性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，体积也满足了设计需求。２．１　系统原理系统为实现小车自动跟随主人，小车首先向主人发送无线电信号同时小车开始计时，主人接收到无线电信号后向小车发送超声波信号，由于主人距离小车上的４个超声波接收器距离不同，则超声波信号到达４个接收器的时间不同，单片机通过对４个接收器接收超声波时间的比较和·６７·

　　　　　　　　蔡　磊等：基于超声波定位的智能跟随小车第１１期运算，计算出各个超声波接收器到主人的距离。然后基于超声波定位的相应算法，可以计算出主人在小车所建立坐标系中的具体坐标，从而判断主人相对小车的具体方位，并通过ＰＷＭ控制电机转速实现小车按照设定距离跟随目标。小车俯视示意图如图１所示，主人为Ｍ，主人在小车左前方，主人距离小车左侧接收器距离较近，经过ＭＡ路线的时间较短，通过超声波定位，小车判断主人在小车左前方，控制系统向小车左电机发出降低转速信号，右电机加速，小车向左转。小车后２轮驱动，前２轮采用万向轮，通过两侧电机非对称转动及用万向轮实现转向。若主人在其他方向原理相同。图１　小车俯视示意２．２　硬件设计由于小车需要对周边目标物进行定位，并做出运动控制决策，本设计采用了无线电装置与超声波传感器采集距离信息，并将采集到的数据输送给控制系统，经过控制系统的处理及超声波定位算法可识别目标的方位［２］。另外，ＤＳ１８Ｂ２０传感器作为温度补偿单元，使声速等参数更加准确，从而提高超声波定位的精度。小车硬件设计的总体框图如图２所示。图２　小车硬件设计基于超声波定位原理，在小车顶部设置４个超声波接收器，超声波信号由目标物发出。考虑到单片机端口驱动能力有限［３］，采用ＬＭ３８６芯片对输出信号进行功率放大，用于超声波发射。接收模块采用集成芯片ＣＸ２０１０６，声波信号先经过ＣＸ２０１０６内部前置放大器和限幅放大器，再经整形，送给输出端。当收到与滤波器中心频率相符的声波信号时，输出端输出低电平，触发中断，读取定时器计数值，实现测距。超声波发射和接收电路分别如图３和图４所示［４］。图３　超声波发射电路图４　超声波接收电路系统采用Ｅ１８－Ｄ８０ＮＫ反射式接近开关传感器，它是一种集红外线发射与接收于一体的轻便型传感器，用以检测小车运动范围内有无障碍物。另外，该传感器有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感器触发的距离。有效探测距离在２０～８００ｍｍ可调。为了实现小车对目标物的同步跟随，在小车和目标物上安装了无线电装置。无线电为小车的反馈信号，使得超声波发射模块向小车发射超声波信号。系统采用的无线电模块ＮＲＦ２４Ｌ０１是一款工作在２．４～２．５ＧＨｚ世界通用ＩＳＭ频段的单片机无线电收发器芯片。无线电收发器包括：频率发生器、功率放大器、晶振振荡器、调制器、解调器、输出功率、频道选择等，其通信距离为０～８００ｍ。对电机转速的控制，是通过ＰＷＭ波实现的，ＰＷＭ的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小［５］。电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由４支Ｎ沟道功率ＭＯＳＦＥＴ管组成，额定工作电流可以轻易达１００Ａ以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速，电机驱动电路如图５所示。·７７·

　第３６卷电　子　测　量　技　术图５　电机驱动电路３　核心技术系统主要有３大核心技术：超声波测距技术、定位技术及红外避障技术。３．１　超声波测距超声波测距是超声波定位的基础，超声波测距的原理为［６］：检测从超声波发射器发出的超声波经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，结果就是声波传输的距离Ｓ。即：Ｓ＝ｖ　ｔ（１）就是超声波测距的机理。声速受温度影响［７］，声速与温度关系：ｖ＝３３１．４＋０．６０７Ｔ（２）式中：Ｔ为温度，单位是℃。声速与温度关系表如表１所示［８］。表１　声速与温度关系温度／℃－３０－２０－１０　０　１０　２０　３０　１００声速／（ｍ／ｓ）３１３　３１９　３２５　３３１　３３８　３４４　３４９　３９２可见，只要测得超声波发射和接收的时间差ｔ以及环境温度Ｔ，就能得到较为精确的距离。３．２　定位技术将被定位点作为发射点，设置４个接收点作为参照点，一次发射得到４个距离。根据空间位置计算出发射点相对于参照点的坐标。按此构思［４］，可构建如下系统：超声波接收点布置４个，构成矩形，为了方便，假设该矩形就是正方形，边长为Ｓ，顺时针编号。０号为坐标原点（０，０），１号为（０，Ｓ），２号为（Ｓ，Ｓ），３号为（Ｓ，０）。计算时先根据直角三角形算出投射到移动物体平面的距离，斜边为测距值，高为一个直角边。小车对目标定位原理图如图６所示。图６　小车对目标定位原理移动节点的坐标为（ｘ，ｙ），经推导得到：Ｙ１＝Ｓ２＋Ｌ０２－Ｌ１２２Ｓ（３）·８７·

　　　　　　　　蔡　磊等：基于超声波定位的智能跟随小车第１１期Ｘ１＝Ｓ２＋Ｌ１２－Ｌ２２２Ｓ（４）Ｙ２＝Ｓ２＋Ｌ３２－Ｌ２２２Ｓ（５）Ｘ２＝Ｓ２＋Ｌ０２－Ｌ３２２Ｓ（６）通过以上４个测量值可以得到２组坐标，将２组平均可以减少误差。３．３　红外避障在小车运动过程中，红外发射器发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（１个低电平信号），通过读取该接口的电平信号可判断前方是否有障碍物［９］。４　系统测试与误差分析４．１　系统测试本实验是用来测试小车的响应特性，可通过不同距离下小车的反应时间来衡量。由于超声波速度受温度影响很大，故该实验是将小车（实物图如图７所示）。图７　小车实物置于２０℃的环境下进行，尽可能排除外界因素对实验的干扰，然后通过改变主人与小车之间的距离，可得小车的响应时间如表２所示。表２　不同检测距离下小车的响应时间主人与小车之间的距离／ｍ１　２　３　４　５　５ｍ以上响应时间／ｍｓ　２　１６５　３６８　８０２　１２９３不响应４．２　误差分析４．２．１　误差来源引起小车不同距离下响应时间不同的因素有很多，一般可以归结为如３种主要误差［１０］：１）超声波信号在传播过程中的衰减超声波信号在传播过程中，随着检测距离的增大，声波信号减弱，导致声波信号检测难度加大，测距精度降低。２）收到声波到被检测出的滞后该项误差源于检测电路的灵敏度和判断偏差，从收到实际声波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后，这和声波信号强弱、检测电路原理及判断电路的敏感性相关，也是超声波测距的核心。如果超声波传感器灵敏度过低，大大限制了检测距离（声波衰减是距离的平方关系）。由于判断滞后会随着声波的强弱而变化，故这部分误差是导致数据不稳定的主要来源。３）启动计时和启动超声波发射之间的偏差由系统原理可知，从小车启动计时到主人启动超声波发射实际上是先后完成的，存在时差，距离越远时差越大。４．２．２　减小测量误差措施声波检测采用ＴＬ８５２电路，其最大特征在于变增益，它支持通过控制将增益逐渐变大，这样可以利用单片机根据时间去控制。随着距离加大，时间变长，声波信号减弱，就需要提高增益，以检出信号。此外，针对测量距离较远时声波不易进入接收头问题，可采用在一个平面内设置多个接收的办法。同时为弥补超声波在传播过程中的衰减，增大发射功率或发射的持续时间也是有必要的。对于启动计时和启动超声波发射之间的偏差，系统采用无线电作为反馈信号，其传播速度接近光速，因此启动计时和启动超声波发射之间的偏差可忽略不计。５　结　　论介绍了基于超声波定位的自动跟随小车系统，运用超声波传感器及无线电装置实现小车的实时跟随，并采用红外避障传感器实现小车自动避障的功能，使小车的跟随更加安全和智能化。通过实验验证，小车反应时间为几十ｍｓ至１ｓ左右，能与主人保持５ｍ以内距离的同步跟随。并且系统采用充电电池、电机驱动，不排放尾气，具有清洁环保、简单智能、成本低廉、方便实用的特点。小车应用范围广泛，可应用于超市、飞机场、高尔夫球场等公共场合。参考文献［１］　邹恩，陈乐欢，林锦钱，等．基于ＣＡＮ总线的智能超声波测距车载系统［Ｊ］．湖南工业大学学报，２０１１（３）：６７－７１．（下转第１０５页）·９７·

　　　　　　　　邵文权等：基于ＺｉｇＢｅｅ的电机故障诊断系统设计第１１期参考文献［１］　叶银忠，朱建山．电机故障诊断实验系统的开发［Ｊ］．控制工程，２００７，１４（Ｓ１）：８８－８９，１５３．［２］　张高群．电力系统应用ＺｉｇＢｅｅ技术初步研究［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（１１）：８３－８６．［３］　陈贻焕，宋闽，陈佳琪，等．一种基于ＡＲＭ７的无线传感器网络［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１０，２９（６）：５４－５６．［４］　彭宇，王丹．无线传感器网络定位技术综述［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２０１１，２５（５）：３８９－３９９．［５］　杨烨，董惠．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络节点的设计［Ｊ］．测控技术，２００９，３２（１７）：１４０－１４２．［６］　魏伟，王琳．电机故障诊断技术研究现状与发展趋势［Ｊ］．微电机，２００９，４２（１０）：６６－６８．［７］　徐朋豪，冯玉光，奚文骏，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线温湿度采集系统研究［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１３，３２（１）：３３－３６．［８］　吕宏，黄钉劲．基于ＺｉｇＢｅｅ技术低功耗无线温度数据采集及传输［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１２，３１（２）：５８－６０．［９］　李俊斌，胡永忠．基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ通信网络的应用设计［Ｊ］．电子设计工程，２０１１，１９（１６）：１０８－１１１．［１０］　侯进，宋光明，宋爱国．无线传感器网络移动节点自装配方法研究［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１０，２９（４）：３７－３９．［１１］　魏延萍．基于ＶＢ６．０的ＰＣ机与单片机串口通讯的实现［Ｊ］．信息技术，２０１１，３８（７）：３８－４０．作者简介邵文权，１９７８年出生，工学博士，副教授，主要研究方向为输电线路继电保护及自适应重合闸。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗｑ０４２６＠櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒１２６．ｃｏｍ（上接第７９页）［２］　华蕊，郝永平，杨芳．超声波定位系统的设计［Ｊ］．国外电子测量技术，２００９，２８（６）：６５－６６．［３］　超声波测距模块的设计与实现［ＥＢ／ＯＬ］．２０１１［２０１３－０６－０６］．［４］　林伟，梁家宁，李才安．便携式多功能超声波测距仪的设计与实现［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（１）：１６５－１６５．［５］　张川，曲黎明，陈练升，等．基于ＦＰＧＡ的智能超市手推车及应用［Ｊ］．电子产品世界，２０１１，１８（８）：３６－３９．［６］　ＨＡＮＫＥＲ．超声波定位系统———第三代超声波测距模块应用示例［ＥＢ／ＯＬ］．２０１１［２０１３－０６－０６］．［７］　伦翠芬，侯桂凤，张淑清，等．智能超声波物位仪的研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５，２６（８）：４４３－４４４．［８］　吕泉．现代传感器原理及应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．［９］　张国旭，张雅静．智能电动小车超声波测距定位系统的设计［Ｊ］．煤矿机械，２０１１，３２（１）：３１－３２．［１０］　ＨＡＮＫＥＲ．超声波测距误差分析［ＥＢ／ＯＬ］．２００９［２０１３－０６－０６］．作者简介蔡磊，１９９０年出生，本科生，主要研究方向为探测制导与控制技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃａｉｌｅｉ＿０３＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ陈素芳，１９９１年出生，本科生，主要研究方向为测控技术与仪器。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｓｆａｚｐ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ·５０１·