基于超声波与红外感应的智能跟随旅行箱

山东农业大学 刘承磊 赵 斌 葛忠迪

0 引言

旅行箱的使用有着漫长的历史，从仅供容纳衣物的木箱、大皮箱，到如今形态各异的便携式手提箱、拉杆箱。但是现在普遍存在的问题是对于那些行动不便的人和经常外出的商务人员来说，笨重的旅行箱是一个累赘。我们设计了一款能够对特定移动目标进行实时跟踪的智能旅行箱，可以与特定目标保持一定距离，跟踪特定目标，携带物品[1]。该款智能跟随旅行箱有两套跟随装置，根据使用场景可随时切换超声波跟随系统和红外跟随系统。

1 硬件设计

1.1 系统总体设计

为实现智能跟随旅行箱的功能，设计了超声波跟随系统、红外跟随系统、报警装置、电机驱动等功能模块。通过超声波跟随系统和红外跟随系统可分别测出特定跟随目标的相对位置，以STC89C52为主控芯片，将特定跟随目标的相对位置处理后将前进、后退、左转、右转信号发送给L298N电机驱动模块，完成对左右2个电机的控制。电源给电机驱动模块、STC89C52单片机和USB充电模块供电。

1.2 超声波跟随系统

超声波是指频率高于20kHz的声波，超声波在介质中传播时遇到不同的界面将产生反射、绕射、折射等原理在各行各业得到广泛应用[2]。超声波传感器具有不易受环境因素干扰，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等优点，因而超声波经常用于距离的测量[3]。本设计所采用的超声波模块为HC-SR04超声波，该模块测量范围为2～450cm,精度可达3mm，由超声波发射探头、控制电路和驱动电路组成[4-5]。该模块有4个引脚依次为：VCC、Trig、Echo、GND，采用IO触发测距，提供至少10μs的高电平信号，模块自动发射8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回。

1.3 红外跟随系统

红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种装置，有灵敏度高、价格低廉等优点，红外线传感器可以控制驱动装置的运行[6]。此光电传感器集发射与接收与一体，检测距离可根据要求进行调节，具有探测距离远、受可见光干扰小等特点，可广泛应用与自动化产品的控制[7]。本红外跟随系统由3个E18-D80NK漫反射式红外光电开关设计而成，分别位于旅行箱的左侧、中间和右侧，当左侧光电传感器检测到移动目标时，将触发信号发送给单片机，控制电机执行左转命令；中间光电传感器检测到移动目标时，执行前进命令；右侧光电传感器检测到移动目标时，执行右转命令，3个光电传感器同时检测到信号时，表明移动目标与旅行箱的距离太小，执行停止命令。

1.4 报警装置

报警装置由安装在旅行箱底部的红外传感器和蜂鸣器组成。红外传感器有3个引脚，分别为VCC、GND和OUT，当红外传感器检测到物体时，持续发送低电平信号。该模块的检测距离为2～30cm，检测距离可通过电位器进行调节，当旅行箱被提起时，红外传感器检测不到物体时将持续发送信号给单片机，单片机接收到信号后，控制蜂鸣器报警，提醒主人，以此解决丢失旅行箱的问题。

1.5 电机驱动模块

电机驱动模块由1个L298N电机驱动板、2个4085大扭力直流电机组成[8]。L298N由6节18650组成的电池组供电，额定工作电压12V，具有驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强等优点，可以引出5V电压给单片机供电。该模块是2路H桥驱动，可同时驱动2个电机，使能ENA、ENB后，分别从IN1、IN2输入PWM信号驱动左电机的转速和方向，分别从IN3、IN4输入PWM信号驱动右电机的转速和方向[9]。

2 软件设计

2.1 主程序设计

打开电源开关后，启动系统切换装置、报警装置和USB充电装置，根据使用场景的要求切换超声波跟随系统和红外跟随系统。当开启超声波跟随系统后，超声波发射装置发射超声波信号，超声波接收装置接收到信号后，完成对特定跟随目标的定位，通过单片机发送移动命令控制电机运动；当开启红外跟随系统后，光电传感器将发射红外信号，接收到红外信号的光电传感器发送信号给单片机，控制电机向对应的方向转动。报警装置供电后一直处于工作模式，当检测不到地面物体时，发送信号给单片机，控制蜂鸣器发出报警信号。

2.2 超声波跟随系统程序设计

利用3个超声波接收模块接收到超声波信号的时间差，计算出超声波发射端相对于超声波接收端的相对位置，从而实现对特定移动目标的定位。超声波信号发射端和超声波接收端之间存在没有对准的问题，会出现数据不正确的情况。需要进行数据处理并剔除错误的数据。剔除错误的基本原则如下：发射端相对于接收端3个超声波模块的相对位置有3种情况，偏左、偏右、偏中间。根据接收端3个超声波的安装位置，数据中的3个距离值之间的差值不会大于20cm，根据限制条件，推导出正确数据的规律。

2.3 红外跟随系统程序设计

安装在旅行箱上的3个光电传感器供电后，将发射红外信号，若左侧的传感器检测到物体，右侧的传感器没有检测到物体，表明移动物体位于旅行箱左侧，将执行左转命令；若右侧的传感器检测到物体，左侧的传感器没有检测到物体，表明移动物体位于旅行箱右侧，将执行右转命令；其他情况下将执行前进命令。

2.4 电机驱动程序设计

单片机控制直流电机时，需要加驱动电路为直流电机提供足够大的驱动电流，本设计采用L298N驱动模块，它可以同时驱动两组电机，每个电机由单片机的两个I/O口控制，通过单片机调节使能输出不同占空比的PWM波形。占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比[10]。控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，我们设置旅行箱在完成前进命令时占空比为100%，执行左转、右转时占空比为50%。

3 系统测试

在环境温度正常的室外对智能跟随旅行箱的跟随性能进行了测试，分别选择超声波跟随系统和红外跟随系统观察是否准确跟随，两种跟随系统都很好的实现了跟随的功能，其中超声波跟随系统最远距离为4m，红外跟随系统最远距离为2m，报警装置的报警距离为离地20cm，系统整体性能优良。

4 结论

以STC89CS52为主要芯片，设计并制造了智能跟随旅行箱，具有反应迅速，定位准确，实时跟踪的特点，定位于日常生活使用，具有操作简单，自动化程度高，成本低等优势。根据使用场景可选择超声波定位系统及红外跟随系统。从它本身具有的特性来看，可以运用于生活的许多场合下，如机场乘客的行李搬运，大型商场的职能购物车，还有大型车间中设备检验人员的工具搬运等多种场合，它能很好的解放我们的双手。

[1]蔡磊,周亭亭,郭云鹏等. 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.

[2]陈洁,余诗诗,李斌等.基于双阀值比较法超声波流量计处理信号[J].仪器仪表学报,2014,35(10)：2223-2230.

[3]张艳,贾应炜.基于HC-RS04模块的超声波测距系统设计[J].自动化技术与应用,2016,35(3)：101-104.

[4]兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术,2013,36(2)：85-87.

[5]章隆彬,邱横,马国荣.基于Android操作系统的XK-I教育机器人平台设计[J].国外电子测量技术,2013,32(8)：50-53.

[6]王国宏,毛士艺,何友.红外传感器目标跟踪算法[J].火力与指挥控制,2001,26(2)：5-9.

[7]李从宏.基于功能码的红外遥控软件解码技术[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,9：72-73.

[8]李桂芝,贾峰,闫海鲲.红外测量图像自适应彩虹码伪彩色编码方法[J].长春理工大学学报(自然科学版),2011(4)：36-39.

[9]刘磊,孙晓菲,张煜.基于STM32的可遥控智能跟随小车设计[J].电子测量技术,2015,38(6)：31-33.

[10]赵海兰.基于单片机的红外遥控智能小车的设计[J].电子世界,2011,08：45-47.