基于STC15F4K60S4的智能随动小车设计

宋京 高原 金京

摘 要：文章设计了一种智能随动小车，提出了一种以STC5F4K60S4单片机为主控芯片，使用超声波，配合红外雷达，同时利用目标定位算法，角度计算算法，求最短距离算法使智能随动小车能在各个方位准确判断自身与主人的相对位置，并可以在人后方及人前方保持固定距离固定角度随行，可有效解决主人转向时的跟随问题，并保持能在这些状况下稳定跟随主人。

关键词：随动小车；超声波；红外雷达

随着社会经济的发展，人民物质生活的提高，在智能器械领域也呈现出爆炸式需求。越来越多的智能化工具走进了人们的生活，工厂中的智能机械手，智能化流水线，与人们生活更贴近的智能家居，以及发展前景巨大的智能汽车，可以说以智能机器人为代表的智能技术已经与人们的生活密不可分。本文设计的随动小车具有自动跟随目标行动，帮助运输物资，节省人力成本，费用低，提高工作效率，可持续工作的特点[1]。

1 总体设计思路

本文提出了一种智能随动小车控制系统设计，可以分为移动主人和随动小车两大部分。设计以STC15F4K60S4-LQFP44单片机为主控芯片，利用超声波配合红外雷达，首先判断移动主人与随动小车的相对位置，最后利用角度计算算法，以最短距离算法求得小车与移动主人之间的距离和角度，并与设定的距离和角度相比，通过控制中心的处理，驱动电机使小车实现转向、加速、减速等操作，从而保证距离和角度与设定保持一致，并能在这种状态下稳定运行。本设计所涉及的主要技术有超声波测距技术，红外寻源技术[2]，电机控制技术，以及无线传输技术。

2 核心算法说明

最短距离算法如图1所示。其中：1为移动主人；2为超声波发射探头1；3为红外线发射探头；4为随动小车；5为超声波发射探头2；6为超声波及红外接收探头2；7为超声波及红外接收探头1。设超声波发射探头1，与超声波发射探头2之间的距离固定为L，车身长度为L1通过超声波测距得出超声波发射探头1和超声波发射探头2，至超声波接收探头的距离V1t，和V2t，比较V1t与V2t的大小，首先使得V1t=V2t（测得的较短距离），在已知三角形三边长度的情况下，我们可以根据海伦定理即三角形求高公式[3]（其中a，b，c为三角形三边边长）：

在具体系统中，设由车尾至超声波发射探头安装位置的方向为正方向，将小车四周分为3个区域，即沿正方向，超声波发射探头安装位置一侧为前方区域，小车两侧为两侧区域，另一区域为后方区域。

当移动主人位于前方区域时，随动小车到移动主人的最短距离H为：

当移动主人位于側方区域或后方区域时，随动小车到移动主人的最短距离H1为：

3 电机选型

根据人的平均行走速度为1.1～1.5 m/s，则每分钟最多行走90 m。车轮半径为R=300 mm，运货物质量m为20 kg，则小车滚动一圈前进：0.942 m

则1 min内，需转 （5）

转动车轮的最小力矩为：

Md=mg×R=29.4 N·m （6）

传动比i为，机最大转速和车轮最大转速之比10.42，电机转轴最小转矩为2.82 N·m，可以算得P为：

JGB37-550型号电机参数如表1所示。

由表1可知，发电机功率及转矩均在要求范围内，所以选择JB37-550型号电机是合适的。

4 随动功能实现步骤

步骤1：在移动装置上输入移动主人与随动小车之间的最短距离和所需跟随角度，注意最短距离和跟随角度应保证在合理范围内。

步骤2：通过按键开启“学习”模式，系统开始运行，红外线发射探头，和红外线接收探头开始工作，舵机自动控制系统开始控制红外线发射探头在一定角度范围内自动探测红外线接收探头位置，直至红外信号被接收，移动主人部分主控板单片机，将接收到红外信号的信息通过无线传输传送给随动小车部分主控板，控制舵机系统停止转动。

步骤3：确定移动主人位置后，舵机自动控制系统开始控制两个超声波发射探头旋转，确保超声波发射探头与红外线发射探头方向一致，即对准超声波接收探头位置。

步骤4：超声波发射探头与超声波接收探头工作，移动主人部分主控板将两个超声波发射探头分别到超声波接收探头的实际距离，通过无线传输给移动小车主控单片机，移动小车主控单片机通过比较判断两段距离是否相等，若不相等，则通过驱动电机的转动，实现两距离相等。

步骤5：通过算法计算出移动主人与随动小车之间的短距离和所构成三角形角度，若此最短距离和角度大于或小于预先设定距离和角度，则随动小车进行前进后退或转向移动，直至检测出两者之间最短距离和角度等于预设距离和角度。

步骤6：学习模式结束后，移动主人可以开始移动，通过单片机处理器，实时检测最短距离和随动角度数据，再驱动电机加速或减速行驶，从而使移动主人与随动小车保持特定距离与角度前行。

5 结语

本设计仍存在以下不足之处需要改进和加强，如环境温度对系统硬件的影响，尤其是超声波的影响；其次软件程序代码冗杂，需要结构优化，提高软件效率，从而提高系统效率。

[参考文献]

[1]东旭.探路者到达火星[J].中国航天，1997（10）：23-27.

[2]张辉，王永杰，赵海敏.自动寻迹智能小车的激光路径跟随系统设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2013（10）：1170-1173.

[3]HERRINGTON D R.Ultrasonic range fnder uses few components[J].EDN，1996（6）：23-26.