基于單片機的自動跟隨小車

張 偉，王 橋，李 莉，魏 虎，張慶新，姜 萍

（1.貴州師范學院 數(shù)學與計算機科學學院，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范學院 大數(shù)據(jù)科學與智能工程研究院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，小車自動化、智能化已成為重要的觀注點之一。然而，國內(nèi)市場目前還未出現(xiàn)無軌自動跟隨載物的小車，而我國具有的跟隨性小車并沒有針對超市、旅館、飛機場、港口等大眾場合，或家庭、個人的智能無軌產(chǎn)品，主要是有軌跟隨，其中最具代表性的便是餐廳服務機器人及快件分運的跟隨產(chǎn)品。本文參考陀螺儀定位及STM32各種模塊的綜合運用，設計了一款能夠?qū)崟r檢測并追蹤特定移動目標的自動跟隨小車。該車采用陀螺儀定位技術及PID算法技術，可根據(jù)不同場合的環(huán)境要求調(diào)整小車的跟隨距離和速度等參數(shù)，實現(xiàn)對目標的精準跟隨，物品托運。該設計可用于超市智能購物車，也可放在機場、旅館用做行李托運車。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)完成了基于單片機的智能無軌跟隨小車設計。采用陀螺儀定位模塊，藍牙無線通信模塊等，設計了可實時無線收發(fā)目標位置，定位自身位置的模塊，同時構建了PID算法控制小車移動，從而實現(xiàn)小車對目標的自動跟隨。小車系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)為了實現(xiàn)小車自動跟隨目標，首先向從機發(fā)送無線信號，從機接收到無線電信號后進行匹配。目標利用陀螺儀取得自身位置坐標，通過無線信號將坐標發(fā)送回主機，主機將接收到的坐標與自身位置坐標進行運算，從而判斷目標所在的方向及位置，并通過PID算法調(diào)控電機轉速實現(xiàn)小車跟隨目標。小車手持設備結構如圖2、圖3所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

圖2 小車（主機）

圖3 手持設備（從機）

1.2 硬件設計

由于小車需要對定位目標位置，并進行運動控制，故本設計采用陀螺儀定位采集距離信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)，經(jīng)過控制系統(tǒng)算法處理，可識別目標的方位。

基于陀螺儀的定位原理：在小車頂部設置一個陀螺儀，使系統(tǒng)獲得小車自身的坐標。蛇螺儀電路如圖4所示。

為了實現(xiàn)小車對目標的實時跟隨，在小車和目標上安裝無線通信裝置。無線通信為小車與目標構建通信通道，使小車得到目標的實時位置。藍牙HC-05是主從一體的串口模塊，可設置藍牙的主從屬性。當主機藍牙與從機藍牙配對連接后，可建立一個短距離通信通道，主從設備可共同使用該通道，發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

調(diào)節(jié)PWM波可調(diào)控電機的轉速，從而實現(xiàn)小車的跟隨需求。調(diào)節(jié)PWM波即調(diào)制脈沖的寬度，換言之，PWM波通過調(diào)節(jié)占空比控制電機轉速。對于控制電機可將高電平持續(xù)x%，低電平持續(xù)1-x%。電機驅(qū)動電路如圖5所示，可控制小車的前進、后退、差速轉向等。

圖4 陀螺儀電路

2 核心技術

系統(tǒng)主要有三大核心技術：定位技術、無線通信技術、PID控制技術。

2.1 定位技術

定位技術可通過主機和從機上的陀螺儀定位主機和從機的位置，將坐標值傳輸?shù)街靼暹M行算法計算，從而得到從機所在的角度方向和兩者之間的距離：

通過比值求出角A所占比例：

在計算PWM波控制電機轉動時用Y的值控制電機的占空比。小車及目標的定位原理如圖6所示。

圖6 小車及目標的定位原理

2.2 無線通信技術

為了實現(xiàn)無線通信，本設計采用藍牙模塊HC-05。HC-05是一款可用作短距離無線通信的主從一體的通信設備。這款藍牙通訊模塊有兩種工作模式：

（1）命令響應工作模式

（2）自動連接工作模式

圖5 電機驅(qū)動電路

a.主（Master）

b.從（Slave）

c.回環(huán)（Lookback）

當設備調(diào)節(jié)至自動連接工作模式時，可事先設定連接方式，連接后設備將會按照設定傳輸數(shù)據(jù)；設置模塊進入命令響應工作模式時，可以使用 AT命令。通過設置AT指令，可以設置其主從模式，做成主機（小車接收設備）、從機（手持發(fā)送設備）。同時可以設置其與指令地址匹配，從而實現(xiàn)一對一匹配，避免出現(xiàn)連接錯誤。

2.3 PID控制技術

在直流電機的開環(huán)控制中，電機的轉速總是隨著電機的負載變化而變化，無法穩(wěn)定在一個給定的數(shù)值上。隨著負載的增大，電機的轉速隨之下降，當負載超過額定負載時，電機停止轉動，此時電機電流最大，容易損壞。而在PID控制系統(tǒng)中，由于有積分和微分環(huán)節(jié)，可使系統(tǒng)跟隨到給定值上，即雖然有誤差，也可迅速調(diào)節(jié)，使誤差在一段時間過后為零。PID調(diào)節(jié)即比例、積分、微分控制，這種調(diào)節(jié)器是將設定值與輸出值進行對比，通過對比得到的偏差來進行比例、積分和微分的控制。

基本PID控制器的理想算式：

PID參數(shù)調(diào)整主要確定三個參數(shù)，然后進行整體測試對參數(shù)微調(diào)至系統(tǒng)正常工作，需要確定的三個參數(shù)：

（1）比例系數(shù)Kp

（2）積分時間常數(shù)Ti

（3）微分時間常數(shù)Td

首先確定比例系數(shù)，然后是積分時間常數(shù)，最后是微分時間常數(shù)。首先令Ti，Td為0，將Kp由0逐漸增大至系統(tǒng)震蕩，然后又將Kp減小至震蕩消失，設定此值為比例系數(shù)Kp。同樣的方法求得Ti，Td。隨后對系統(tǒng)進行微調(diào)直至正常運行。

3 系統(tǒng)調(diào)試

硬件調(diào)試：

（1）測試電機的驅(qū)動，差速轉向等。

（2）測試藍牙連接，數(shù)據(jù)傳輸。

（3）測試陀螺儀定位，通過串口監(jiān)視器打印出相應坐標。

主要技術指標：

（1）藍牙連接的距離在8 m內(nèi)非常穩(wěn)定。

（2）陀螺儀定位精準度在97%，波動范圍在2%～5%之間。（3）PID控制穩(wěn)定性在85%。

4 結 語

針對智能無軌跟隨的特點，文中的系統(tǒng)結合了無線通信技術，定位技術，采集小車位置、目標位置等參數(shù)，對航偏角進行有效計算，從而由PID控制轉向、跟隨等。此系統(tǒng)還具有低功耗、操作方便、實時性好、低成本、穩(wěn)定性高等特點。能夠滿足大多數(shù)貨物托運的需求。

[1]馬建偉.滿意PID控制設計理論與設計[M].北京：北京科學出版社，2007.

[2]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]陳錕，危立輝.基于單片機的直流電機調(diào)速器控制電路[J].中南民族大學學報（自然科學版），2003，22（3）：43-45.

[4]陳堂敏，劉煥平.單片機原理與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2007.

[5]唐力華，崔新藝.基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)中串行通信的實現(xiàn)[J].電機電器技術，2003（4）：27-30.

[6]賀東梅.基于ZigBee協(xié)議的無線通信網(wǎng)關的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2017，7（1）：45-47.

[7]王恒，李陳康.基于雙單片機的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（12）：47-50.

[8]張文霞，張凱，喬良，等.基于單片機的智能跟隨小車的設計與實現(xiàn)[J].科技與企業(yè)，2015（12）：251.