基于蓝牙模块的智能“高尔夫球”车设计

张成 石进远 蔺宁宁 代月明

【关键词】智能跟踪 蓝牙模块 信号强度 控制系统

随着人们的生活、生产对智能化的要求不断的提高，智能化机器人发展迅速。它大大减轻了劳动强度、提高了劳动效率、保障了人们的生命安全。不得不说我们的生活与智能化、自动化具有密不可分的关系。在国内智能化机器人的技术发展各有千秋，例如按特定标识的循迹小车和循迹飞行器等。而最广泛的研究便是对于智能汽车的研究，其内容涵盖了机械、电子、自动控制计算机等多种學科的知识领域。作为一门新兴的科学技术，可广泛的应用于各种复杂环境。具有不错的应用前景。

1 “高尔夫球”车控制系统简介

本文设计了一款智能跟踪小车—“高尔夫球”车，其可以通过蓝牙模块对移动目标所在区域的定位，达到智能跟踪目的。智能跟踪小车—“高尔夫球”车是一个复杂的、综合多传感器模块的控制系统。整个系统以飞思卡尔智能车车模为基础，通过装置在车上的蓝牙模块检测目标单位上蓝牙发射模块发出信号的强度，判断出移动目标的具体方位和距离，从而实现对目标的识别与跟踪。同时可以通过手机设置跟踪距离参数，具有很强的应用价值。

2 系统总体方案

整个设计包括测距定位系统、单片机控制系统、电机驱动系统三个子系统。其中测距定位系统包括三个蓝牙接收装置、一个蓝牙发射装置。由于信号在传播中存在衰减，据此利用蓝牙模块之间的接收信号强度法来确定目标的方位。为了保障智能跟踪小车的安全、稳定性，还加入了超声波避障模块。单片机通过蓝牙模块和超声波模块的反馈信息确定目标方位和距离，通过控制算法控制“高尔夫球”车的舵机转向和电机转动。从而实现了“高尔夫球”车的智能跟踪与定位。具体的系统框图如图1所示。

本次设计主控采用芯片，电机驱动芯片采用芯片，构成双H桥电机驱动模块。同时智能车的总电源采用7.2V锂电池供电，并加入低压监测电路保护电池。提高智能跟踪小车的稳定可靠性。

在智能跟踪汽车控制系统中，传感器的选择对于车辆能否实现跟踪定位具有重大影响。较为普遍的便是采用视觉传感器利用数字图像处理技术对目标原始图像进行各种运算，得到有用信息进而对智能车进行控制来达到跟踪定位的目标。但是由于该技术复杂，同时设计成本昂贵。因此在选择智能“高尔夫球”车时，考虑到蓝牙模块和超声波模块具有体积小、价格低和I/O口控制方便等优点，满足我们的设计要求。因此系统采用HC-06蓝牙模块和URM37超声波传感器进行定位跟踪检测。

3 定位检测的原理

本次设计采用三个蓝牙接收模块和一个蓝牙发射模块，一个超声波避障模块。两个蓝牙接收模块安装在小车的正前方的两端，间隔为8cm，离地高度为2cm，同时目标单位携带一个蓝牙发射模块。当目标发送的电磁波被小车前端的两个接收装置检测到时，由于两个接收装置距目标单位的距离不同，因此接收到的信号也不相同，据此判断目标所处方位和距离，具体描述如下。

将小车抽象为一个矩形，两个蓝牙接收模块安放在矩形的顶点，以矩形的一个顶点为原点，原点所在的一边为X轴、另一边为Y轴建立直角坐标系。那么两个蓝牙接收模块的坐标分别为、。不妨假设目标单位所在坐标为。其中d为两模块之间的距离。数学模型如图2所示。

已知信号发射功率PT和接收功率PR与传输距离r、传输因子n关系满足如下公式

两边分别取对数转化为信号强度与信号传输距离的关系为

其中A为常数与发送信号的强度有关，xσ为背景噪声满足均值为0的高斯白噪声。

据此在本次设计中通过给定传输距离，检测蓝牙接收模块接收到信号的强弱最终确定了各个参数，最终得到了信号强度与传输距离的关系。

另外一个蓝牙接收模块与手机通信，用于接收手机信号和设定根据距离和速度等各种参数。同时为了提高小车的安全性和稳定性，利用超声波避障模块来达到避障效果。

4 智能跟踪算法的设计

4.1 定位算法的设计

如图2，我们利用坐标来表示目标的方位，其中目标单位坐标为（x，y），蓝牙接收模块的坐标分别为（0，0）、（-d，0）。其中目标单位与两者之间的距离可以表示为r1、r2。那么当三点不在一条直线上时满足余弦定理，即

那么目标单位坐标为

而当三点在一条直线上时，目标单位x轴坐标满足

其中y轴坐标满足y=0。

通过此方法确定目标单位的方位和距离，从而确定小车的舵机打角角度，使得小车沿着目标方向运动。

4.2 PID控制算法

智能控制小车的核心思想就是模仿人的思维和行动去完成控制任务，其中PID控制算法是控制系统中技术比较成熟、而且应用最广泛的算法。PID依据控制输出和执行机构的对应关系可分为位置式PID和增量式PID两种。

因此在设计小车的控制算法时，对舵机转向采用位置式PID控制算法，对于电机采用增量式PID控制算法从而达到对小车的控制。

4.3 算法流程图

将上述算法思想转化为编程语言，得到算法实现的流程图。如图3。

5 结束语

本文通过研究智能化的一个重要方面：移动目标的智能跟踪，设计了智能“高尔夫球”车的区域车辆定位控制系统，可以有效的利用小车进行控制定位追踪，灵活运用无线信号随着传输距离的增大而衰减的特性对移动目标进行精确的定位判断。从而达到跟踪定位的效果。该设计还加入了智能避障模块。通过实测结果表明小车具有很好的跟踪定位效果，响应速度快，适应能力强且动态性能好，整体控制效果较好。

参考文献

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