2023年12月21日发(作者：修朔)
基于单片机的智能跟随多功能小车发布时间：2021-04-06T04:27:18.168Z 来源：《中国科技人才》2021年第5期 作者： 兰汶鑫 文檬 查晓玉 田卫坤 吴玉南 指导老师：郭晓然、袁秀娟[导读] 本系统意在开发一个基于单片机的智能跟随多功能小车，主要功能有智能跟随，避障，实时监控，超出安全 距离以及过重的预警。西北民族大学 摘要：本系统意在开发一个基于单片机的智能跟随多功能小车，主要功能有智能跟随，避障，实时监控，超出安全 距离以及过重的预警。该系统亦可推广应用到智能跟随 婴儿车，智能购物车以及旅行箱等，以解放大家的双手 去做更多有意义的事情。该小车亦可自动避开障碍物，从而避免货物的损坏，具有较高的安全保障系数。相对于传统的小车，它可以使你空出双手去做更多有意义的事情，加上其智能警报系统，更保障了货物的安全。 关键词：单片机；超声波定位；传感器 西北民族大学生国家级创新创业训练计划资助项目，项目编号：2，
1.前言 随着智能技术的发展以及各种智能物件的出现，人们逐渐从各种各样的日常琐事之中得到解放。如智能插座，可以实现千里之外的远程控制，避免了出门在外却忘记关闭电源以至于不得不回去的尴尬。相比于传统技术，现如今的智能技术有其基于传统技术的继承也在传统技术之上发挥其难以替代的优秀之处。 GPS定位跟随技术相较于蓝牙和WIFI来说，较为成熟一点，精度稍高，可以达到m级，但其也有局限性，对于接收不到GPS的地方，定位会出现大的问题，同样不可适用于无GPS信号的特殊区域，并且对于GPS定位，需要辅助以其他设备如摄像头，才方可收获良好的定位效果。目前市场上出现的无人机可通过GPS定位与视觉跟随的联合实现智能跟随，二者组合互相弥补不足之处，视觉跟随可以通过在GPS定位误差范围内的视觉识别来确定对象方位，解决了GPS的精度问题，而GPS由于其受干扰性较小，可以在视觉所难以工作的时候发挥重要作用，如反光强烈的雪地以及被跟随者与跟随者之间出现遮挡物的时候或者是光线昏暗的夜晚。 然而UWB技术目前相比于其他技术已十分成熟，十分适合用于智能跟随，成功的案例目前很多，如小米9号平衡车，智能跟随行李箱，然而此技术缺点是代价较为高昂，不具有普适性，并且在产品研发过程中会加入其他智能技术，门槛较高。可适用于对于价格低敏感的产品。 超声波定位跟随技术经过长时间的研究已经十分成熟，其体积小，距离精度可达到CM级别，角度精度可做到2度。然而其最大的优势是相比于UWB和视觉识别成本十分低廉，完全可以实现大批量生产。原理是利用接收阵列接收超声波信号的时间差异来计算信号源的角度，再配合无线信号与超声波信号传递时间差可以定位距离。 本系统意在开发一个基于超声波的智能跟随小车，该小车通过超声波阵列比较不同时间超声波的到达来测算方位从而可自动跟随人行走，在跟随阶段可以实现对于一般质量货物的运输，避免了低效的人力搬运，在节省人力的同时也提高了运送效率。该小车亦可自动避开障碍物，从而避免货物的损坏，具有较高的安全保障系数。相对于传统的小车，它可以使你空出双手去做更多有意义的事情，加上其智能警报系统，更保障了货物的安全。 2.系统的设计 本系统的主要内容是开发基于单片机的智能跟随多功能小车 首先通过超声波测距技术向某一方向发射超声波，随即计时，接收超声波返回时间根据声波速度与时间差测算出车与人与物之间的相对距离，若非安全距离即可预警，实现与车主距离的控制。同时可侦测周围障碍物，以实现避障功能。 其次在车上安装摄像头，通过无线连接，从而实现实时监控。通过压力传感器测算出载重的重量，当载重超过阈值时即可预警。以GPS实现定位功能可知小车实时位置以便车主及时找到。车主亦可通过APP实现对小车的遥控，以避免不时之需。 此外，太阳能充电是此车的一点特色，可以预防小车突然没电的状况，这时虽不能使小车继续搬运重物，但可以保证基本的定位，网络连接。本系统将所有数据上传到云端，便于用云技术时刻监管小车的实时动态，如：位置信息等。图是1系统总体功能模块图。
图1 系统总体功能模块图 3.硬件设计 3.1 传感器模块 3.1.1 超声波传感器 超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 利用单片机向超声波传感器Trig脚发送一个持续 10us 的脉冲信号。超声波传感器接收到单片机发送的脉冲信号，开始发送超声波，并把 Echo脚置为高电平。然后准备接收返回的超声波。当 HC-SR04 接收到返回的超声波时，把 Echo 置为低电平.由此可知，高电平持续时间即为超声波往返的时间，由此即得距离。对于定位，可将超声波发射器装载于需定位物体之上，在小车上安装三个超声波接收器，根据超声波到达时间差即可得到物体具体位置。对于移动物体，需持续发射超声波。 3.1.2 温度传感器 LM35温度传感器不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4℃的准确率，工作电压为DC4～30V ，工作电流小于133μA，额定使用温度范围：-55～+150℃。 本系统中温度传感器主要运用测量各模块的温度，并且实现对于温度的自动调节，以避免过热烧坏元器件。LM35系列可以将对应的温度值线性转化为对应的电压值，在将电压值转化为信号送给单片机，由单片机判断是否在安全温度内，若不在，则自动通过蜂鸣器发出预警，或者向手机发送信息。 3.1.3 光电式传感器 光电式传感器可产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。测量时不与被测对象直接接触，不存在摩擦。延迟极低，适用于快速移动的物体。 E18-D80NK是漫反射式红外光电开关避障传感器模块，发射器对准检测到的目标不间断发射红外线光束，接受器把检测物反射回来的光束转化为电流传输给后面的集成电路，经放大后输出。当单片机接收到信号之后进行判断是否在需要转向的距离内，若在，则进行转向。 3.1.4 蓝牙传感器 蓝牙无线传感器主要用于进行现场信号的数据采集，将现场信号的模拟量转化为数字量，并完成数字量的变换和存储，并将现场数据通过无线的方式传送到其它蓝牙设备当中。 本系统中蓝牙主要实现手机与小车之间的通信功能，通关蓝牙可实现手机短距离对于小车的遥控，亦可避免断网情况或者网络不好或特殊场景的突然发生。蓝牙传感器主要功能即实现与压力传感器和温度传感器的联合，以形成对于小车概况的实时监控系统。 HC-05主从一体无线蓝牙模块 串口透传通讯原理图图2如下：
图3 压力传感器原理图 3.2 GPS定位模块 采用北斗+GPS双模定位导航模块GP01卫星定位授时ATGM332D，支持BDS/GPS卫星导航系统，支持AGNSS。我们采用的是车载GPS，它现在市面上是一个很成熟的产品，不仅有我们小车的定位功能，还有让我们能够将小车的安全性能得到提高。 3.3 控制器模块 系统主要控制器系统采用单片机控制。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 其结构图如下：
图4：控制器模块传感器原理图 4.控制系统软件设计 在这里我们将写一个小车的App，首先分析需要的功能为：视频的实时协议，实现对小车的遥控，接受小车发送的报警信号。然后利用相应API接口、代码和一些协议去实现功能，如：视频传输可以用websocket协议去实现。 实际上我们采用了车载的GPS定位器自身的App，它集成了GPS定位，精准轨迹回溯，远程控制开关，报警功能等。这些功能的实现让我们的小车实现了更多的功能，也使我们的小车在我们很难做的安全方面提供了可实现性，使得整个控制系统软件变得更加的有用。 5.实验结果 通过事物的制作，该系统一切正常运行，可以实现小车跟随功能，WiFi连接，压力测量等功能。实验结果表明。该系统具有可靠，方便，成本低廉以及可扩展功能的特性。具有一定的实用功能。 6.结语 超声波小车的意义在于相比于其他的跟随方式具有更低的成本，不仅如此，其应用方面也十分广泛，可以作为一个平台与其他传感器相协作去创造更多的新产品，比较具有实际意义的可以是超声波跟随的购物车，跟随的菜篮子等。 7.参考文献
[1]陈乐鹏,谭晓东,曹江浩,刘升云,高智伟.超声波定位系统智能跟随小车设计[J].科技创新与应用,2019(35):24-26. [2]夏晓枫,杨佳丽,宁维阳,吴博,高锋.超声波定位智能小车自动跟随算法[J].科技资讯,2019,17(07):25-26+28. [3]刘承磊,赵斌,葛忠迪.基于超声波与红外感应的智能跟随旅行箱[J].电子世界,2018(09):170+172. [4]蔡磊,周亭亭,郭云鹏,陈素芳,吴汉帮.基于超声波定位的智能跟随小车[J].电子测量技术,2013,36(11):76-79+105.
2023年12月21日发(作者：修朔)
基于单片机的智能跟随多功能小车发布时间：2021-04-06T04:27:18.168Z 来源：《中国科技人才》2021年第5期 作者： 兰汶鑫 文檬 查晓玉 田卫坤 吴玉南 指导老师：郭晓然、袁秀娟[导读] 本系统意在开发一个基于单片机的智能跟随多功能小车，主要功能有智能跟随，避障，实时监控，超出安全 距离以及过重的预警。西北民族大学 摘要：本系统意在开发一个基于单片机的智能跟随多功能小车，主要功能有智能跟随，避障，实时监控，超出安全 距离以及过重的预警。该系统亦可推广应用到智能跟随 婴儿车，智能购物车以及旅行箱等，以解放大家的双手 去做更多有意义的事情。该小车亦可自动避开障碍物，从而避免货物的损坏，具有较高的安全保障系数。相对于传统的小车，它可以使你空出双手去做更多有意义的事情，加上其智能警报系统，更保障了货物的安全。 关键词：单片机；超声波定位；传感器 西北民族大学生国家级创新创业训练计划资助项目，项目编号：2，
1.前言 随着智能技术的发展以及各种智能物件的出现，人们逐渐从各种各样的日常琐事之中得到解放。如智能插座，可以实现千里之外的远程控制，避免了出门在外却忘记关闭电源以至于不得不回去的尴尬。相比于传统技术，现如今的智能技术有其基于传统技术的继承也在传统技术之上发挥其难以替代的优秀之处。 GPS定位跟随技术相较于蓝牙和WIFI来说，较为成熟一点，精度稍高，可以达到m级，但其也有局限性，对于接收不到GPS的地方，定位会出现大的问题，同样不可适用于无GPS信号的特殊区域，并且对于GPS定位，需要辅助以其他设备如摄像头，才方可收获良好的定位效果。目前市场上出现的无人机可通过GPS定位与视觉跟随的联合实现智能跟随，二者组合互相弥补不足之处，视觉跟随可以通过在GPS定位误差范围内的视觉识别来确定对象方位，解决了GPS的精度问题，而GPS由于其受干扰性较小，可以在视觉所难以工作的时候发挥重要作用，如反光强烈的雪地以及被跟随者与跟随者之间出现遮挡物的时候或者是光线昏暗的夜晚。 然而UWB技术目前相比于其他技术已十分成熟，十分适合用于智能跟随，成功的案例目前很多，如小米9号平衡车，智能跟随行李箱，然而此技术缺点是代价较为高昂，不具有普适性，并且在产品研发过程中会加入其他智能技术，门槛较高。可适用于对于价格低敏感的产品。 超声波定位跟随技术经过长时间的研究已经十分成熟，其体积小，距离精度可达到CM级别，角度精度可做到2度。然而其最大的优势是相比于UWB和视觉识别成本十分低廉，完全可以实现大批量生产。原理是利用接收阵列接收超声波信号的时间差异来计算信号源的角度，再配合无线信号与超声波信号传递时间差可以定位距离。 本系统意在开发一个基于超声波的智能跟随小车，该小车通过超声波阵列比较不同时间超声波的到达来测算方位从而可自动跟随人行走，在跟随阶段可以实现对于一般质量货物的运输，避免了低效的人力搬运，在节省人力的同时也提高了运送效率。该小车亦可自动避开障碍物，从而避免货物的损坏，具有较高的安全保障系数。相对于传统的小车，它可以使你空出双手去做更多有意义的事情，加上其智能警报系统，更保障了货物的安全。 2.系统的设计 本系统的主要内容是开发基于单片机的智能跟随多功能小车 首先通过超声波测距技术向某一方向发射超声波，随即计时，接收超声波返回时间根据声波速度与时间差测算出车与人与物之间的相对距离，若非安全距离即可预警，实现与车主距离的控制。同时可侦测周围障碍物，以实现避障功能。 其次在车上安装摄像头，通过无线连接，从而实现实时监控。通过压力传感器测算出载重的重量，当载重超过阈值时即可预警。以GPS实现定位功能可知小车实时位置以便车主及时找到。车主亦可通过APP实现对小车的遥控，以避免不时之需。 此外，太阳能充电是此车的一点特色，可以预防小车突然没电的状况，这时虽不能使小车继续搬运重物，但可以保证基本的定位，网络连接。本系统将所有数据上传到云端，便于用云技术时刻监管小车的实时动态，如：位置信息等。图是1系统总体功能模块图。
图1 系统总体功能模块图 3.硬件设计 3.1 传感器模块 3.1.1 超声波传感器 超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 利用单片机向超声波传感器Trig脚发送一个持续 10us 的脉冲信号。超声波传感器接收到单片机发送的脉冲信号，开始发送超声波，并把 Echo脚置为高电平。然后准备接收返回的超声波。当 HC-SR04 接收到返回的超声波时，把 Echo 置为低电平.由此可知，高电平持续时间即为超声波往返的时间，由此即得距离。对于定位，可将超声波发射器装载于需定位物体之上，在小车上安装三个超声波接收器，根据超声波到达时间差即可得到物体具体位置。对于移动物体，需持续发射超声波。 3.1.2 温度传感器 LM35温度传感器不需要额外的校准处理即可达到 ±1/4℃的准确率，工作电压为DC4～30V ，工作电流小于133μA，额定使用温度范围：-55～+150℃。 本系统中温度传感器主要运用测量各模块的温度，并且实现对于温度的自动调节，以避免过热烧坏元器件。LM35系列可以将对应的温度值线性转化为对应的电压值，在将电压值转化为信号送给单片机，由单片机判断是否在安全温度内，若不在，则自动通过蜂鸣器发出预警，或者向手机发送信息。 3.1.3 光电式传感器 光电式传感器可产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。测量时不与被测对象直接接触，不存在摩擦。延迟极低，适用于快速移动的物体。 E18-D80NK是漫反射式红外光电开关避障传感器模块，发射器对准检测到的目标不间断发射红外线光束，接受器把检测物反射回来的光束转化为电流传输给后面的集成电路，经放大后输出。当单片机接收到信号之后进行判断是否在需要转向的距离内，若在，则进行转向。 3.1.4 蓝牙传感器 蓝牙无线传感器主要用于进行现场信号的数据采集，将现场信号的模拟量转化为数字量，并完成数字量的变换和存储，并将现场数据通过无线的方式传送到其它蓝牙设备当中。 本系统中蓝牙主要实现手机与小车之间的通信功能，通关蓝牙可实现手机短距离对于小车的遥控，亦可避免断网情况或者网络不好或特殊场景的突然发生。蓝牙传感器主要功能即实现与压力传感器和温度传感器的联合，以形成对于小车概况的实时监控系统。 HC-05主从一体无线蓝牙模块 串口透传通讯原理图图2如下：
图3 压力传感器原理图 3.2 GPS定位模块 采用北斗+GPS双模定位导航模块GP01卫星定位授时ATGM332D，支持BDS/GPS卫星导航系统，支持AGNSS。我们采用的是车载GPS，它现在市面上是一个很成熟的产品，不仅有我们小车的定位功能，还有让我们能够将小车的安全性能得到提高。 3.3 控制器模块 系统主要控制器系统采用单片机控制。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 其结构图如下：
图4：控制器模块传感器原理图 4.控制系统软件设计 在这里我们将写一个小车的App，首先分析需要的功能为：视频的实时协议，实现对小车的遥控，接受小车发送的报警信号。然后利用相应API接口、代码和一些协议去实现功能，如：视频传输可以用websocket协议去实现。 实际上我们采用了车载的GPS定位器自身的App，它集成了GPS定位，精准轨迹回溯，远程控制开关，报警功能等。这些功能的实现让我们的小车实现了更多的功能，也使我们的小车在我们很难做的安全方面提供了可实现性，使得整个控制系统软件变得更加的有用。 5.实验结果 通过事物的制作，该系统一切正常运行，可以实现小车跟随功能，WiFi连接，压力测量等功能。实验结果表明。该系统具有可靠，方便，成本低廉以及可扩展功能的特性。具有一定的实用功能。 6.结语 超声波小车的意义在于相比于其他的跟随方式具有更低的成本，不仅如此，其应用方面也十分广泛，可以作为一个平台与其他传感器相协作去创造更多的新产品，比较具有实际意义的可以是超声波跟随的购物车，跟随的菜篮子等。 7.参考文献
[1]陈乐鹏,谭晓东,曹江浩,刘升云,高智伟.超声波定位系统智能跟随小车设计[J].科技创新与应用,2019(35):24-26. [2]夏晓枫,杨佳丽,宁维阳,吴博,高锋.超声波定位智能小车自动跟随算法[J].科技资讯,2019,17(07):25-26+28. [3]刘承磊,赵斌,葛忠迪.基于超声波与红外感应的智能跟随旅行箱[J].电子世界,2018(09):170+172. [4]蔡磊,周亭亭,郭云鹏,陈素芳,吴汉帮.基于超声波定位的智能跟随小车[J].电子测量技术,2013,36(11):76-79+105.