arduino的自跟随小车设计【字数：14023】
摘 要旅途中的人们都会用到行李箱，传统行李箱依靠人力进行搬运，不仅耗时耗力效率还很低。以跟踪小车为基础制作的智能行李箱可以取代人力来搬运行李，效率大大提高，还可以为旅途中的人们减轻压力。本设计以Arduino单片机为控制核心，通过HC-SR04型超声波对跟随目标进行测距，使用TCRT5000红外避障识别目标方位，选用L293D电机驱动模块实现小车的左右前后运动，安装HC06M蓝牙模块实现小车与Android APP的无线传输。当超声波检测目标在小车跟随距离内，小车能够实现对于目标向前和左右的自动跟随；当小车位于跟随距离外，手机APP通过蓝牙遥控小车跟随目标，此时小车处于跟随距离外的手动跟随状态。实现小车基本功能后，对其性能指标进行测试。在室内空旷环境中，先后对小车避障识别目标的视角范围、最大可跟随目标距离、不同距离时可跟随目标最大速度进行了测试，得到视角范围为前方150°，最大跟随距离为28.7cm，多种距离下目标可跟随最大速度为20cm/s，这几组数据完全满足本设计的任务需求，达到了毕业设计的要求。
Key Words: Tracking Car；Arduino MCU；Ultrasonic；Obstacle Avoidance 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 主要研究内容 3
1.4 本章小结 4
2. 需求分析和方案论证 5
2.1 功能需求分析 5
2.2 方案论证 5
2.2.1 目标定位模块的选择 5
2.2.2 开发板的选择 6
2.2.3 底盘的选择 7
2.2.4 跟随模块的选择 8
2.2.5 电源模块的选择 9
2.3 总体设计方案 10
2.4 本章小结 10
3. 系统硬件设计 11
3.1 系统硬件电路设计 11
3.2 单片机最小系统 12
3.4 超声波传感器电路 14
3.5 红外避障传感器模块 15
3.6 通信模块电路 16
3.7 电源模块电路 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.8 本章小结 18
4 . 系统软件设计 19
4.1 软件总体设计 19
4.2 电机驱动程序设计 20
4.3 超声波测距设计 22
4.4 跟随程序设计 24
4.5 蓝牙程序设计 25
4.6 Android手机APP软件设计 27
4.7 本章小结 28
5. 系统的功能测试 29
5.1 红外避障识别方向测试 29
5.2 最大可跟随距离的调试 30
5.3 不同距离时目标可跟随最大速度的测试 31
5.4 本章小结 32
6. 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 35
附录一 元器件清单 36
附录二 系统硬件原理图 37
附录三 小车核心代码 39
致谢 47
1. 绪论
1.1 研究背景与意义
1956年，第一个应用人工智能的机器人SHAKEY在美国研制出来。从此，科学界便掀起了机器人研究的热潮[1]。上世纪80年代，日本早稻田大学的加藤一郎教授提出类似跟随机器人的设计概念，之后多种形式的跟随车被制造了出来[2]。自动跟随车的突出特点是具备跟随一个特定的目标的能力，跟随车能够依据与目标的距离来做出判断决定前进，停止还是后退。
随着商业化的加快和社会生活水平的高度提高，出差和旅游成为了人们现阶段生活不可或缺的一部分[3]。在出行时，人们往往都会携带着沉重的行李箱来装下需要换洗的衣物、食品或者重要的文件等，这在无形之中给本就繁杂劳累的旅途又增加了些许压力。传统行李箱虽然能帮助人们携带所需要的生活用品、文件杂物，但是沉重的行李箱常常使得人们精疲力竭，效率极为低下，急需新兴的科技化产物来给旅途中的人们减轻压力。
因此，本设计旨在通过科技来给旅途中的人们减轻压力，本次设计的自跟随小车就是智能跟随行李箱的一款验证性车，该设计免去了人们路途中搬运行李箱的劳累，可以应用于机场、汽车站等人员出行的密集场所，为旅途减轻压力，为路途中的人们节省时间和体力。
1.2 研究现状和发展趋势
国外的跟随车研究起步早，欧美国家在跟随车领域进行了长久深入的研究，发展至今，相关产品和控制理论已十分丰富[4]。特别是近些年来，我国的跟随车技术研究也迅速发展，针对于不同设计环境和不用的应用场所，已研制出许多应用于不同领域的跟随车产品。
2003年，一款名叫高尔夫球童车的跟随车产品在美国市场开始售卖。由于高尔夫运动在西方的爱好者很多，并且雇佣传统的高尔夫球童花费很大，所以高尔夫球童车在西方市场一经上市，便获得大卖[5]。此款高尔夫球童车使用的是超声波模块加无线传输模块，其使用超声波测量与人之间的距离，通过无线传输跟踪客人，帮助客人携带所需的高尔夫球杆、背包和毛巾等杂物，其实物图如图11所示。但它跟随距离短、因超声波产生的噪音的缺点也不容忽视。2012年，台湾俊业电子开发出全新一代的高尔夫球童车，使用超声波和避障技术，制作成本更低，产品性能更优，较最早一代的高尔夫球童车综合性能大大提高[6]。
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图11 高尔夫球童车实物图
2016年，上海的一家机器人公司在CESAsia上展示了一款名为“COWA ROBOT”的智能行李箱[7]。智能行李箱实物图如图12所示。其采用GPS模块和无线传输实现1.5米的有效跟随，搭配手机APP可调整小车为遥控模式和自主跟随模式。智能行李箱取代传统行李箱作为携带东西的工具，具有比较大的社会和经济意义。
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图12 COWA ROBOT智能行李箱实物图
2017年，江南大学成功自行研制出一款智能跟随机器人[8]。跟随机器人实物图如图13所示。作为高校自行研究的自主跟随移动机器人，其拥有完全独立的知识产权。跟随部分采用摄像头进行目标识别跟随，距离测量部分采用超声波传感器，整机设计性能十分优秀，达到了较高的制造水平。
Key Words: Tracking Car；Arduino MCU；Ultrasonic；Obstacle Avoidance 目 录
1. 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 主要研究内容 3
1.4 本章小结 4
2. 需求分析和方案论证 5
2.1 功能需求分析 5
2.2 方案论证 5
2.2.1 目标定位模块的选择 5
2.2.2 开发板的选择 6
2.2.3 底盘的选择 7
2.2.4 跟随模块的选择 8
2.2.5 电源模块的选择 9
2.3 总体设计方案 10
2.4 本章小结 10
3. 系统硬件设计 11
3.1 系统硬件电路设计 11
3.2 单片机最小系统 12
3.4 超声波传感器电路 14
3.5 红外避障传感器模块 15
3.6 通信模块电路 16
3.7 电源模块电路 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.8 本章小结 18
4 . 系统软件设计 19
4.1 软件总体设计 19
4.2 电机驱动程序设计 20
4.3 超声波测距设计 22
4.4 跟随程序设计 24
4.5 蓝牙程序设计 25
4.6 Android手机APP软件设计 27
4.7 本章小结 28
5. 系统的功能测试 29
5.1 红外避障识别方向测试 29
5.2 最大可跟随距离的调试 30
5.3 不同距离时目标可跟随最大速度的测试 31
5.4 本章小结 32
6. 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 35
附录一 元器件清单 36
附录二 系统硬件原理图 37
附录三 小车核心代码 39
致谢 47
1. 绪论
1.1 研究背景与意义
1956年，第一个应用人工智能的机器人SHAKEY在美国研制出来。从此，科学界便掀起了机器人研究的热潮[1]。上世纪80年代，日本早稻田大学的加藤一郎教授提出类似跟随机器人的设计概念，之后多种形式的跟随车被制造了出来[2]。自动跟随车的突出特点是具备跟随一个特定的目标的能力，跟随车能够依据与目标的距离来做出判断决定前进，停止还是后退。
随着商业化的加快和社会生活水平的高度提高，出差和旅游成为了人们现阶段生活不可或缺的一部分[3]。在出行时，人们往往都会携带着沉重的行李箱来装下需要换洗的衣物、食品或者重要的文件等，这在无形之中给本就繁杂劳累的旅途又增加了些许压力。传统行李箱虽然能帮助人们携带所需要的生活用品、文件杂物，但是沉重的行李箱常常使得人们精疲力竭，效率极为低下，急需新兴的科技化产物来给旅途中的人们减轻压力。
因此，本设计旨在通过科技来给旅途中的人们减轻压力，本次设计的自跟随小车就是智能跟随行李箱的一款验证性车，该设计免去了人们路途中搬运行李箱的劳累，可以应用于机场、汽车站等人员出行的密集场所，为旅途减轻压力，为路途中的人们节省时间和体力。
1.2 研究现状和发展趋势
国外的跟随车研究起步早，欧美国家在跟随车领域进行了长久深入的研究，发展至今，相关产品和控制理论已十分丰富[4]。特别是近些年来，我国的跟随车技术研究也迅速发展，针对于不同设计环境和不用的应用场所，已研制出许多应用于不同领域的跟随车产品。
2003年，一款名叫高尔夫球童车的跟随车产品在美国市场开始售卖。由于高尔夫运动在西方的爱好者很多，并且雇佣传统的高尔夫球童花费很大，所以高尔夫球童车在西方市场一经上市，便获得大卖[5]。此款高尔夫球童车使用的是超声波模块加无线传输模块，其使用超声波测量与人之间的距离，通过无线传输跟踪客人，帮助客人携带所需的高尔夫球杆、背包和毛巾等杂物，其实物图如图11所示。但它跟随距离短、因超声波产生的噪音的缺点也不容忽视。2012年，台湾俊业电子开发出全新一代的高尔夫球童车，使用超声波和避障技术，制作成本更低，产品性能更优，较最早一代的高尔夫球童车综合性能大大提高[6]。
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图11 高尔夫球童车实物图
2016年，上海的一家机器人公司在CESAsia上展示了一款名为“COWA ROBOT”的智能行李箱[7]。智能行李箱实物图如图12所示。其采用GPS模块和无线传输实现1.5米的有效跟随，搭配手机APP可调整小车为遥控模式和自主跟随模式。智能行李箱取代传统行李箱作为携带东西的工具，具有比较大的社会和经济意义。
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图12 COWA ROBOT智能行李箱实物图
2017年，江南大学成功自行研制出一款智能跟随机器人[8]。跟随机器人实物图如图13所示。作为高校自行研究的自主跟随移动机器人，其拥有完全独立的知识产权。跟随部分采用摄像头进行目标识别跟随，距离测量部分采用超声波传感器，整机设计性能十分优秀，达到了较高的制造水平。
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