基于单片机的自动跟随小车

张 伟，王 桥，李 莉，魏 虎，张庆新，姜 萍

（1.贵州师范学院 数学与计算机科学学院，贵州 贵阳 550018；2.贵州师范学院 大数据科学与智能工程研究院，贵州 贵阳 550018）

0 引 言

随着科技的发展，小车自动化、智能化已成为重要的观注点之一。然而，国内市场目前还未出现无轨自动跟随载物的小车，而我国具有的跟随性小车并没有针对超市、旅馆、飞机场、港口等大众场合，或家庭、个人的智能无轨产品，主要是有轨跟随，其中最具代表性的便是餐厅服务机器人及快件分运的跟随产品。本文参考陀螺仪定位及STM32各种模块的综合运用，设计了一款能够实时检测并追踪特定移动目标的自动跟随小车。该车采用陀螺仪定位技术及PID算法技术，可根据不同场合的环境要求调整小车的跟随距离和速度等参数，实现对目标的精准跟随，物品托运。该设计可用于超市智能购物车，也可放在机场、旅馆用做行李托运车。

1 系统总体设计

系统完成了基于单片机的智能无轨跟随小车设计。采用陀螺仪定位模块，蓝牙无线通信模块等，设计了可实时无线收发目标位置，定位自身位置的模块，同时构建了PID算法控制小车移动，从而实现小车对目标的自动跟随。小车系统的设计框图如图1所示。

1.1 系统原理

系统为了实现小车自动跟随目标，首先向从机发送无线信号，从机接收到无线电信号后进行匹配。目标利用陀螺仪取得自身位置坐标，通过无线信号将坐标发送回主机，主机将接收到的坐标与自身位置坐标进行运算，从而判断目标所在的方向及位置，并通过PID算法调控电机转速实现小车跟随目标。小车手持设备结构如图2、图3所示。

图1 系统总体设计图

图2 小车（主机）

图3 手持设备（从机）

1.2 硬件设计

由于小车需要对定位目标位置，并进行运动控制，故本设计采用陀螺仪定位采集距离信息，并将采集到的数据发送到控制系统，经过控制系统算法处理，可识别目标的方位。

基于陀螺仪的定位原理：在小车顶部设置一个陀螺仪，使系统获得小车自身的坐标。蛇螺仪电路如图4所示。

为了实现小车对目标的实时跟随，在小车和目标上安装无线通信装置。无线通信为小车与目标构建通信通道，使小车得到目标的实时位置。蓝牙HC-05是主从一体的串口模块，可设置蓝牙的主从属性。当主机蓝牙与从机蓝牙配对连接后，可建立一个短距离通信通道，主从设备可共同使用该通道，发送或接受数据。

调节PWM波可调控电机的转速，从而实现小车的跟随需求。调节PWM波即调制脉冲的宽度，换言之，PWM波通过调节占空比控制电机转速。对于控制电机可将高电平持续x%，低电平持续1-x%。电机驱动电路如图5所示，可控制小车的前进、后退、差速转向等。

图4 陀螺仪电路

2 核心技术

系统主要有三大核心技术：定位技术、无线通信技术、PID控制技术。

2.1 定位技术

定位技术可通过主机和从机上的陀螺仪定位主机和从机的位置，将坐标值传输到主板进行算法计算，从而得到从机所在的角度方向和两者之间的距离：

通过比值求出角A所占比例：

在计算PWM波控制电机转动时用Y的值控制电机的占空比。小车及目标的定位原理如图6所示。

图6 小车及目标的定位原理

2.2 无线通信技术

为了实现无线通信，本设计采用蓝牙模块HC-05。HC-05是一款可用作短距离无线通信的主从一体的通信设备。这款蓝牙通讯模块有两种工作模式：

（1）命令响应工作模式

（2）自动连接工作模式

图5 电机驱动电路

a.主（Master）

b.从（Slave）

c.回环（Lookback）

当设备调节至自动连接工作模式时，可事先设定连接方式，连接后设备将会按照设定传输数据；设置模块进入命令响应工作模式时，可以使用 AT命令。通过设置AT指令，可以设置其主从模式，做成主机（小车接收设备）、从机（手持发送设备）。同时可以设置其与指令地址匹配，从而实现一对一匹配，避免出现连接错误。

2.3 PID控制技术

在直流电机的开环控制中，电机的转速总是随着电机的负载变化而变化，无法稳定在一个给定的数值上。随着负载的增大，电机的转速随之下降，当负载超过额定负载时，电机停止转动，此时电机电流最大，容易损坏。而在PID控制系统中，由于有积分和微分环节，可使系统跟随到给定值上，即虽然有误差，也可迅速调节，使误差在一段时间过后为零。PID调节即比例、积分、微分控制，这种调节器是将设定值与输出值进行对比，通过对比得到的偏差来进行比例、积分和微分的控制。

基本PID控制器的理想算式：

PID参数调整主要确定三个参数，然后进行整体测试对参数微调至系统正常工作，需要确定的三个参数：

（1）比例系数Kp

（2）积分时间常数Ti

（3）微分时间常数Td

首先确定比例系数，然后是积分时间常数，最后是微分时间常数。首先令Ti，Td为0，将Kp由0逐渐增大至系统震荡，然后又将Kp减小至震荡消失，设定此值为比例系数Kp。同样的方法求得Ti，Td。随后对系统进行微调直至正常运行。

3 系统调试

硬件调试：

（1）测试电机的驱动，差速转向等。

（2）测试蓝牙连接，数据传输。

（3）测试陀螺仪定位，通过串口监视器打印出相应坐标。

主要技术指标：

（1）蓝牙连接的距离在8 m内非常稳定。

（2）陀螺仪定位精准度在97%，波动范围在2%～5%之间。（3）PID控制稳定性在85%。

4 结 语

针对智能无轨跟随的特点，文中的系统结合了无线通信技术，定位技术，采集小车位置、目标位置等参数，对航偏角进行有效计算，从而由PID控制转向、跟随等。此系统还具有低功耗、操作方便、实时性好、低成本、稳定性高等特点。能够满足大多数货物托运的需求。

[1]马建伟.满意PID控制设计理论与设计[M].北京：北京科学出版社，2007.

[2]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]陈锟，危立辉.基于单片机的直流电机调速器控制电路[J].中南民族大学学报（自然科学版），2003，22（3）：43-45.

[4]陈堂敏，刘焕平.单片机原理与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[5]唐力华，崔新艺.基于DSP的无刷直流电机控制系统中串行通信的实现[J].电机电器技术，2003（4）：27-30.

[6]贺东梅.基于ZigBee协议的无线通信网关的设计[J].物联网技术，2017，7（1）：45-47.

[7]王恒，李陈康.基于双单片机的无刷直流电机调速系统的设计[J].物联网技术，2015，5（12）：47-50.

[8]张文霞，张凯，乔良，等.基于单片机的智能跟随小车的设计与实现[J].科技与企业，2015（12）：251.