汪莉娟 李映辉 万国庆 江捷

（兰州交通大学自动化与电气工程学院 甘肃省兰州市 730000）

1 引言

随着自动化技术和人工智能技术的发展，各种智能型机器人产品被研发并逐渐投入使用，改变人们的生活。本文研究了一种可自动跟随解放双手的智能载物跟随系统，该系统能在无需人手操控的情况下自动追踪使用者的轨迹行进。

2 硬件设计

智能载物跟随系统基于单片机设计实现。主控模块主要包括两部分：恩智浦RT1064 和STC51 单片机。STC51 单片机主要用于采集单接收超声波模块和蓝牙模块的数据，恩智浦RT1064 则通过计算处理数据，对电机模块、蜂鸣器模块和显示模块进行控制，承担着系统的运行，二者之间以串口UART 模式进行通信。此外，恩智浦RT1064 还通过采集红外光电开关模块、HX711 压力传感器模块、编码器模块的数据，实现系统的自动避障，称重报警，调速等其他功能。系统架构图如图1 所示。

2.1 自动避障及自动跟随功能

自动避障功能通过红外光电开关避障模块实现。该模块主要采用高效红外发光二极管和光敏三极管作为光电转换元件，当距离障碍物的距离小于设定阈值时，控制电机减速，系统不再前进，实现避障。

自动跟随功能采用单接收超声波模块实现。获取单发送超声波模块的数据后，可以通过计算判断用户位置，恩智浦RT1064 再根据计算的位置控制电机运转，实现自动跟随功能。

2.2 报警功能

报警功能主要检测两种情况：超重报警和防盗报警。

超重报警功能采用HX711 压力传感器模块测载物重量，当载重超过最大载重时，触发报警装置，提醒用户拿走部分物品以减轻重量。

在防盗模式下，系统通过采集红外光电开关模块的数据，监测未认证用户有可能的非法行为。系统设置安全区域值，如果有未认证用户进入安全区域值，触发蜂鸣器模块，系统报警，以提醒用户及时注意物品安全。

2.3 蓝牙遥控功能

为便于使用，本系定义了手机端蓝牙串口APP 的按键，方便用户从手机端进行操作。自动跟随载物小车装有蓝牙通信接口，用户可通过手机蓝牙连接系统。手机APP 设计有多种功能按键，使用者可根据个人需求点击按键，通过手机将命令发送给载物小车，使之实现各种功能。

2.4 爬坡越野功能

目前市面上的各种行李箱只能在平地上运行，而生活中实际路线却会出现各种各样的路面，本系统采用对称摇杆机构及减震装置来搭建车架底座，以适应各种坑洼不平的路面。在搭建硬件支架时，我们注意了钻孔时孔位的对称性，以及在对称摇杆机构处螺丝的松紧程度，使得整个系统对称，保持平衡和稳定。同时采用pvc 管搭建硬件支架具有不易变形，系统强度高，价格便宜，方便操作搭建等优势。当其任一轮碰到障碍物时，其轮子上方的摇杆机构便会抬起，辅助其越过障碍物，而另一侧的摇杆机构则保持正常姿态。实际测试中，对称摇杆机构对于系统顺利通过坑洼路面起到了关键作用。车架底座实物图如图2 所示。

图1：系统架构图

图2：车架底座实物图

3 软件设计

3.1 自动跟随算法设计

智能载物跟随系统的自动跟随算法是基于声音测距的基本原理来展开的。想要用超声波来测距，首先要得到超声波在空气中传播的速度和发送与接收的时间差，通过公式D=（tr-ts）*V/2 就能测得声源与接收器的距离。（D：距离；ts：超声波发送起始时间；tr：超声波接收到的时间；V：超声波在空气中传播的距离）在单接收超声波模块里有内置的51 单片机，通过其定时器/计数器可以很容易的算出距离。然后再利用串口UART 模式，将数据输出到主控芯片RT1064。

目前，大部分的超声波自动跟随算法是由两个单接收超声波模块和一个单发送超声波模块组成。假定单发送超声波模块为A，另外两个单接受超声波模块分别为B、C。当得到AB 与AC 之间的距离后，有两种处理数据的方式：

直接判断AB 与AC 的大小推算出目标的大概位置。

若AB>AC，则目标位于系统的右侧，此时应该驱动电机向右进行差速转弯。若ABb 时，系统进行右转。

通过距离AB 与AC 直接算得目标的确定位置。

首先在安装两个单接受超声波模块时，便能测得二者之间的距离，如图3 所示，测算目标具体位置即求(x，y)。由于目标的移动速度远远单片机获取目标距离值的速度，即在每一个计算周期内，可不在考虑目标在这段时间的距离移动值，因此由AB、AC、BC，可列以下方程：

图3：两超声波位置与计算图示

图4：三超声波位置与计算图示

图5：优化方案图示

图6：手机操作界面

图7：程序设计框架图

表1：算法对比表

求解出(x,y)的坐标后，单片机根据这个坐标去控制系统运行，实现对系统的精确控制。

该算法能以最简单的方式实现自动跟随，但仍有改进空间。首先目标的移动速度远大于单片机获取目标距离值的速度，并且单片机驱动电机转向也需要时间。单接收超声波装置由于接收口是朝向前方的，假如目标以较快的速度移动到系统的后方或侧后方，系统有很大的可能还来不及转向，此时便会丢失目标位置，从而不能实现自动跟随。而如果将单接收超声波装置接收口朝上放置，会出现另外一种问题，即无法确定目标是位于系统的前方还是后方，依旧无法实现准确的自动跟随。

当采用三个单接收超声波模块按照等边三角形的位置朝上放置在系统的三个顶角上，可以有效的定位目标位置。布置图如图4 所示。已知等边三角形边长为a，采集到三个单接收超声波模块距离目标的距离，令其分别为AD、BD、CD。可得到以下方程：

此时通过计算(x,y)的坐标便能定位目标的位置。但实际情况中，由于目标一直在移动，通过计算方程求解坐标，会导致系统响应时间较长，占用过多单片机资源。因此提出以下优化方案。

采用四个单接收超声波模块，分别放置在系统的四个角上，并使接收口朝上，如图5 所示。分别采集A、B、C、D 距离目标的距离a、b、c、d，求得ab、bc、ac、bd 之间的距离之差。下面分情况进行说明。

（1）当ab 之间的距离之差为0 时，目标位于ab 中垂线上的某一点，此时，根据bc 之间的距离差来判断目标位于系统的左侧还是右侧，当bc 之间的距离之差小于0 时，目标位于系统的右侧，反之则位于系统的左侧。

（2）当bc 之间的距离之差为0 时，目标位于bc 中垂线上的某一点，此时，根据ab 之间的距离差来判断目标位于系统的前方还是后方，当之间的距离之差小于0 时，目标位于系统的前方，反之则位于系统的后方。

（3）当ac 之间的距离之差为0 时，目标位于ac 中垂线上的某一点，此时，根据bd 之间的距离差来判断目标位于系统的右前方还是左后方，当之间的距离之差小于0 时，目标位于系统的右前方，反之则位于系统的左后方。

（4）当bd 之间的距离之差为0 时，目标位于bd 中垂线上的某一点，此时，根据ac 之间的距离差来判断目标位于系统的左前方还是右后方，当ac 之间的距离之差小于0 时，目标位于系统的右后方，反之则位于系统的左前方。

实际中，ab、bc、ac、bd 之间的距离之差为0 是比较特殊的情况，一般可以取四组距离差最小的一组粗略定位方向。通过此种方法，可以将目标的位置大致定位在八个方向，能够有效地优化系统的自动跟随。另外这个算法可以有效地跟麦克纳姆轮结合在一起，单片机直接通过定位的方向，确定麦克纳姆轮的运动方向，能够最大的节约调整方向的时间，使整个系统运转速度更快，效率更高。但是考虑到单接收超声波模块接收信号时会受角度影响，横放放置，当用户距离过远时，会影响定位精度。三种算法对比如表1 所示。

3.2 手机蓝牙串口APP程序设计

为了便于使用，本系统利用了手机端蓝牙串口APP 程序，实现手机遥控功能。该功能是基于Android 系统设计，利用手机蓝牙串口APP 与系统进行通信。通过分析用户在实际生活中可能需要使用的功能编写程序，在APP 程序中定义了不同功能的按键并设计相应的控制程序。手机APP 界面如图6 所示。

当通过蓝牙串口APP连接上系统后，用户按下不同功能的按键，手机蓝牙会自动发送相关的信息传送给系统的蓝牙模块。单片机利用串口中断获取蓝牙模块中所接受的信息，在主程序里进行循环遍历，进而实现不同的功能。另外，用户通过手机APP 可以很方便的使用系统，主要包括一键连接系统、一键防盗、一键跟随等功能。在自动跟随的过程中，系统通过红外光电开关模块，当识别到前方有障碍物时，会执行避障操作。用户还可以通过手机上显示的按键自由操控载物系统前进，满足了实际生活中一些不需要跟随的载物要求。此外，APP 程序配置了速度可调按键，当上坡、或者道路不好时，方便用户启动。速度可调按键和对称双摇杆机构的配置，使系统能通过实际生活中的大部分路面，克服了因外界路面环境不良而不能使用的情况。程序设计框架如图7 所示。

4 结论

本文设计的智能载物跟随系统结合单片机及无线通讯技术，能够实现自动跟随及自动避障功能，并通过手机APP 实现一键防盗，蓝牙遥控功能。本文对已有的自动跟随算法进行优化，其优化后的自动跟随算法能够适应更多的场景，可大大简化算法，提高定位精度。智能载物跟随系统不仅能够作为私人出行工具，也可以在公共场合进行共享，如超市、车站等地方。使用者通过手机蓝牙连接系统后即可使用，为以后公共场合出行载物提供了一种新的共享思路。