CN104808663A - 一种可自动跟随移动终端行走的小车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自动跟随移动终端行走的小车，包括主控芯片，以及分别与主控芯片连接的用于测量小车方位信息的电子罗盘模块、用于将移动终端方位信息发送给主控芯片的蓝牙模块、用于测量小车与移动终端之间距离差的超声波测距传感器、用于根据所述距离差控制小车前进或后退的直流减速电机及用于控制小车转向角度的舵机；主控芯片根据小车、移动终端方位信息差值计算小车转向角度，并将计算结果输出给舵机的驱动电路。本发明通过超声波测距后，由直流减速电机控制小车速度，通过电子罗盘模块获取方位信息后，计算出小车与移动终端之间的方位信息差，最终由舵机控制小车转向的角度，具有实时性高，易于实现，成本低廉的优势。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术，具体涉及一种可自动跟随移动终端行走的小车。
背景技术
每当搬运行李、货物或装备时，人们总是大汗淋漓，或者被所搬运的物品占着手而不方便做其他事情；对于老年人来说，提着东西还容易劳累。此时人们恨不得这些物品能像跟尾狗一样忠诚地跟随着自己，走到哪，它就跟到哪，不会跟错人也不会走失，时刻跟在后面。
目前已经有很多关于智能跟踪的技术，但是这些技术都还不成熟，它们大多是使用简单的传感器，不能跟随着特定的人。以Five Elements Robotics推出的Budgee机器人为例，这是一款专门针对老年人和残疾人的轻量级助力机器人。Budgee的最高速度为每小时3.9公里左右，如果主人的行进速度太快，它就会用消息推送的方式提醒主人慢一些。国外已研究出类似的产品“高尔夫球童自动跟随车”，如CaddyTrek推出的电动高尔夫轮式机器人已经能够取代部分劳动力，用于带着打球装备跟随运动员走；但运动员身上需要佩带着特定的超音波发射器，这类跟随车或机器人还容易发出噪音和被外界干扰，且有一定安全隐患，产品也相当昂贵。
发明内容
为解决现有智能跟踪技术所存在的技术问题，本发明提供一种可自动跟随移动终端行走的小车，该小车通过蓝牙与移动终端(如安卓手机)连接，移动终端将自身的电子磁罗盘方位信息通过蓝牙发送给小车，小车接收到移动终端的电子磁罗盘方位信息后，再与小车自身携带的电子磁罗盘方位信息比较，然后根据比较结果计算转向的角度，最终由舵机控制小车的转向；此外超声波测距模块测量小车与移动终端之间的距离差，直流减速电机根据距离差控制小车行走速度，以此实现小车跟随移动终端行走的功能。
本发明采用的技术方案如下：可自动跟随移动终端行走的小车，包括主控芯片，以及分别与主控芯片连接的用于测量小车方位信息的电子罗盘模块、用于将移动终端方位信息发送给主控芯片的蓝牙模块、用于测量小车与移动终端之间距离差的超声波测距传感器、用于根据所述距离差控制小车前进或后退的直流减速电机及用于控制小车转向角度的舵机；所述主控芯片根据小车、移动终端方位信息差值计算小车转向角度，并将计算结果输出给舵机的驱动电路。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及技术效果：
1、小车通过超声波测量小车与移动终端之间的距离差，由电子罗盘模块获得方位信息后对移动终端的方位信息与小车的方位信息进行比较处理，并计算出小车转向的角度，采用舵机控制小车转向的角度，实时性高，易于实现，成本低廉。可以连接主流安卓系统，在智能手机一统天下的时代，用户带着手机去到哪里，小车就跟到哪里，方便使用。
2、小车可以制作成行李箱、超市的购物车以及老人的备忘箱等外形，人们不仅可以更加轻松地购物，还可以享受保姆式跟随小车带来的许多乐趣。所以，本发明智能跟随小车具有很高的市场价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明的模块结构图；
图2为直流减速电机的驱动电路图；
图3为舵机的基准信号波形图；
图4为舵机的驱动电路；
图5为蓝牙模块的电路图；
图6为电子罗盘模块的电路图；
图7为小车的电源主电路图；
图8是本发明的自动跟随流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不局限于此。
实施例
参见图1，本发明可自动跟随移动终端行走的小车包括STM32F103主控芯片、电子罗盘模块、蓝牙模块、超声波测距传感器、直流减速电机、舵机及LCD显示屏。电子罗盘模块与主控芯片通过IIC(PB8、PB9)方式通信连接，LCD显示屏与主控芯片通过SPI通信方式连接，蓝牙模块与主控芯片通过USART方式连接通信，直流减速电机、舵机则是通过GPIO直接连接主控芯片。
主控芯片用于根据小车及移动终端的方位信息计算小车转向的角度值，并把计算结果输出给舵机的驱动电路，最终由舵机控制小车的转向。直流减速电机根据超声波测距传感器测得的小车与移动终端之间的距离，控制小车前进或后退。
主控芯片以Cortex-M3为内核，最高工作主频可达72M，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，采用哈佛结构，2.0-3.6V供电电压，具有丰富的外设，2通道12位D/A转换器，12通道DMA控制器，多达11个定时器，支持IIC、USART、SPI、CAN和USB等各种通讯协议。
如图2所示，直流减速电机的驱动电路采用集成芯片BTN7971B，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动芯片U15B。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求,因而减小了EMI(电磁干扰)。BTN7971B集成的驱动芯片具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能，通态电阻典型值为16mΩ，驱动电流可达43A。
本实施例采用两片BTN7971B构成一个全桥驱动电路，图2中PWM1引脚拉高，PWM2引脚拉低，直流减速电机全速前进，进而驱动小车全速前进；相反，若PWM1拉低，PWM2拉高，则小车在直流减速电机的驱动下全速后退。此外，小车的速度通过调节PWM1引脚的占空比来实现小车所需要的速度；BTN7971B芯片VSS与GND端之间接104uF电容，起到滤除电源尖脉冲作用。
舵机一般而言都有最大旋转角度(比如180度)，它与普通直流电机的区别主要在于：普通直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在最大旋转角度内转动，不能一圈圈地转；舵机还能够反馈转动的角度信息。舵机的基准信号周期一般为20ms，如图3所示。舵机采用可变宽度的脉冲信号来进行控制，脉冲信号的参数有最小值、最大值和脉冲频率，一般而言最小脉冲为1ms，最大脉冲为2ms。小车基准信号定义的位置为舵机最大旋转角度的中间位置。不同舵机的最大旋转角度可能不相同，但是其中间位置的脉冲宽度是一定的，都为1.5ms。当舵机接收到一个小于1.5ms的脉冲信号时，其输出轴会以中间位置为基准，逆时针旋转一定角度；舵机接收到的脉冲信号大于1.5ms时则相反。
如图4所示，舵机的驱动电路主要采用LN298N芯片，为一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5-48v，逻辑部分的供电电压为5v。一般情况下，功率部分的电压应大于6V，否则芯片可能不能正常工作。图4中DUO_ENA引脚拉高使能LN298N芯片，也就是使能舵机；使能后通过控制DUO_ENA引脚输入的脉冲信号，经LN298N芯片功率放大后产生驱动输出信号，经DUO引脚输出，使舵机工作。
蓝牙模块采用MAX232作为电平转换芯片，与蓝牙串口连接，实现手机和小车的蓝牙通讯。如图5所示，MAX232芯片内部含有一个电源电压变换器，可以将输入的+5V电源电压变换成RS-232输出的所需的+10V电压；含有两路接收器和驱动器，该小车只采用了其中一组。该芯片16引脚接3.3V电源正极，引脚1与引脚3、引脚4与引脚5之间各接上1uf电容构成电荷泵电路，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要；引脚11、12、13、14脚构成数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚(T1IN)、10引脚(T2IN)输入转换成RS-232数据，从14脚(T1OUT)送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚(R1IN)输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚(R1OUT)输出。
如图6所示，电子罗盘模块采用表面贴装的高集成模块HMC5883L，带有数字接口的弱磁传感器芯片，通过IIC数字接口通信。HMC5883L设有高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带有放大器、自动消磁驱动器、偏差校准电路及12位模数转换器，能使罗盘精度控制在1°至2°。
参见图7，电源设计中采用7.4V锂电池供电，小车的电源电路如图7所示。锂电池具有容量大、可反复充电的优点，并且放电电流相对够大，可以提供小车的直流减速电机所需要的2A放电电流。该小车主要应用了两组电源，统一由电池引出。一组电压经过稳压滤波电路后，输出3.3V的电压，给主控芯片供电，采用的稳压芯片是LM1117-3.3；另一组电压也是电池稳压后引出，但却采用了两片LM7805稳压芯片并联的方式稳压，因为单个稳压芯片承受不了电机启动时流过的大电流，这会导致稳压芯片严重发热，甚至烧毁。采用两片稳压芯片并联连接方式，各自承担一半的电流，消除了芯片过渡发热的隐患。
如图8所示，本发明的自动跟随原理如下：
当用户拿着移动终端，例如安卓手机，与本发明小车建立连接之后，手机会自动调用手机自身硬件电子磁罗盘的驱动程序，获得手机的当前方位信息，然后通过蓝牙将手机的当前方位信息发送出去。小车上的蓝牙模块接收到手机的当前方位信息后，与小车自身的电子罗盘模块测得的方位信息做比较(求差)，再计算小车转向的角度。同时车身安装的超声波测距传感器不断检测移动终端与小车之间的距离，在不同的距离范围内设置不同的车速，如果与移动终端距离过近，小车就停止前进，使小车与移动终端保持在一定的距离之内。移动终端不断地发送方位信息过来，小车不断地接收并处理，及时调整自身的转向，以不断逼近车主(即用户)的方位。小车的转向由舵机控制，小车的动力由一个直流减速电机驱动，直流减速电机通过处理器的数字化处理实现PWM调速。小车上配置一个320*240的LCD显示屏，以显示小车当前的各种状态。
上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，包括主控芯片，以及分别与主控芯片连接的用于测量小车方位信息的电子罗盘模块、用于将移动终端方位信息发送给主控芯片的蓝牙模块、用于测量小车与移动终端之间距离差的超声波测距传感器、用于根据所述距离差控制小车前进或后退的直流减速电机及用于控制小车转向角度的舵机；所述主控芯片根据小车、移动终端方位信息差值计算小车转向角度，并将计算结果输出给舵机的驱动电路。
2.根据权利要求1所述的可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，所述直流减速电机的驱动电路为由两片集成芯片BTN7971B构成的全桥驱动电路。
3.根据权利要求1所述的可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，所述舵机的驱动电路为双H桥电机驱动芯片。
4.根据权利要求1所述的可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，所述蓝牙模块采用MAX232作为电平转换芯片。
5.根据权利要求1所述的可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，所述电子罗盘模块采用表面贴装的高集成模块HMC5883L。
6.根据权利要求1所述的可自动跟随移动终端行走的小车，其特征在于，所述小车还包括与主控芯片连接的LCD显示屏。
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