摘 要： 隨著高爾夫球運(yùn)動(dòng)的日益普及和發(fā)展，球童等專(zhuān)業(yè)服務(wù)人員的空缺成了一個(gè)較突出的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，綜合運(yùn)用紅外線定位、超聲測(cè)距、電機(jī)控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能高爾夫球服務(wù)車(chē)，它能承載球具，實(shí)現(xiàn)全面智能跟蹤球手的功能。
??? 關(guān)鍵詞： 智能高爾夫球服務(wù)車(chē)；紅外定位；超聲測(cè)距；電機(jī)控制
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?? 20世紀(jì)80年代末，高爾夫運(yùn)動(dòng)傳入我國(guó)，現(xiàn)已形成一個(gè)具有巨大潛能的市場(chǎng)?？v觀高爾夫場(chǎng)的人員情況，底層工作人員特別是球童一類(lèi)的專(zhuān)業(yè)人員空缺較大。雇傭一個(gè)專(zhuān)業(yè)球童的價(jià)格不菲，而且過(guò)多的人員走動(dòng)會(huì)影響球手發(fā)揮，同時(shí)破壞植被。為解決上述問(wèn)題，本文綜合運(yùn)用紅外線定位、超聲測(cè)距等技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一種智能自動(dòng)高爾夫球車(chē)，它能承載球具，根據(jù)設(shè)定距離自動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)員行進(jìn)，讓球手更加自如地發(fā)揮。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
??? 系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主控制器，結(jié)合紅外線定位、超聲測(cè)距、電機(jī)控制、電源檢測(cè)等技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理：球手佩戴一個(gè)紅外信號(hào)發(fā)射器，向外發(fā)射特定波段的紅外信號(hào)，智能球車(chē)上安裝8個(gè)紅外接收頭，保證接收范圍可覆蓋360°，不產(chǎn)生信號(hào)盲區(qū)；接收到的信號(hào)經(jīng)相應(yīng)處理送入到MCU，對(duì)球手位置進(jìn)行定位，產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使球車(chē)向球手行駛；定位方向后利用超聲波測(cè)距，保證球車(chē)的定距停車(chē)，從而實(shí)現(xiàn)全面智能跟隨功能。此外，配有紅外遙控器，可對(duì)球車(chē)進(jìn)行直接啟動(dòng)停止及定向行進(jìn)操作。
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1.2 紅外線定位及遙控電路
??? 紅外定位及遙控電路由通用紅外線遙控發(fā)射/接收器的CMOS大規(guī)模集成電路BL9148/BL9149和紅外接收頭CHQ0038組成。接收芯片BL9148與BL9149聯(lián)合使用，可完成10個(gè)控制功能。該芯片能發(fā)射75條指令，利用它可組成多鍵操作；另外12個(gè)是單發(fā)指令，利用它可組成單鍵操作[1]。依據(jù)車(chē)體的高度，在車(chē)頭共放置8個(gè)接收器，中間平行放置2個(gè)檢測(cè)前方信號(hào)的接收器，左右每隔30°放置1個(gè)接收器。單個(gè)接收電路如圖2所示。
1.3 超聲波測(cè)距電路
1.3.1 超聲波測(cè)距原理及選用器件
??? 本設(shè)計(jì)采用脈沖反射式測(cè)距機(jī)理，即由超聲波發(fā)射機(jī)發(fā)射超聲波，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，當(dāng)碰到障礙物時(shí)被反射，由超聲波接收機(jī)接收，此時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。超聲波往返的時(shí)間為t，根據(jù)s=ct/2，即可計(jì)算出超聲波收發(fā)與障礙物之間的距離。其中c為超聲波波速，在測(cè)量精度要求不是很?chē)?yán)格的情況下，可以認(rèn)為c=340 m/s[2]。
??? 超聲傳感器工作機(jī)理是：在加上電壓時(shí)超聲換能器受激以脈沖方式發(fā)出超聲波(一般40 kHz～60 kHz)，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，對(duì)接收的超聲波脈沖進(jìn)行分析，當(dāng)收到的聲波超出門(mén)檻電平時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束，通過(guò)測(cè)量聲波的進(jìn)程時(shí)間并根據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳輸速率計(jì)算出從傳感器到目標(biāo)物體的距離。本設(shè)計(jì)中使用的是T/R-40系列超聲波傳感器，其中發(fā)射器型號(hào)為T(mén)-40，接收器型號(hào)為R-40。它們適用于以空氣作為傳播媒介的遙控發(fā)射、接收電路[3]。
1.3.2 超聲波發(fā)射電路
??? 超聲波發(fā)射器在幅度為20 V、頻率為40 kHz的方波驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出頻率為40 kHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器測(cè)出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號(hào)所需的時(shí)間為t，根據(jù)公式s=ct/2，即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離。由于要測(cè)量的距離不固定，可能還是動(dòng)態(tài)的，故用AT89C51的P1.0發(fā)出間歇式的脈沖串(每20個(gè)脈沖為1串)，等到接收到回波并計(jì)算出距離后再發(fā)下一串脈沖，這樣發(fā)1次脈沖測(cè)量1次距離，然后每5個(gè)距離取1次平均值用于判斷與球手的距離[4]。
1.3.3 超聲波接收電路
??? 超聲波接收器將接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(正弦波)，經(jīng)過(guò)二級(jí)放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號(hào)控制D觸發(fā)器的時(shí)鐘端，將D 端扣上預(yù)先設(shè)置好的低電平從Q端發(fā)送出。該低電平作為AT89C51外部中斷的中斷信號(hào)使之產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器T1的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)[4]。
1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
??? 綜合考慮智能高爾夫球車(chē)精度要求和性?xún)r(jià)比等，選擇直流電機(jī)作為動(dòng)力源，其具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍寬；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足各種特殊運(yùn)行要求。本設(shè)計(jì)選用的減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r/min，車(chē)輪直徑(包括外胎)為8 cm，因此小車(chē)的最大速度可以達(dá)到：V=2πr·v=2×3.14×0.04×120/60=0.502 4 m/s。
??? 利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N進(jìn)行直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，1塊芯片可實(shí)現(xiàn)2個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)脈寬調(diào)制波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且還帶有控制使能端。L298N的使用非常簡(jiǎn)單，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)；5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。4大功率管分為2組，交替接通到截止，以保證小車(chē)完成前進(jìn)和后退，左、右轉(zhuǎn)彎等運(yùn)行動(dòng)作。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件部分共分3大模塊：超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊、紅外線驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)及相應(yīng)功能模塊。后2個(gè)模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是對(duì)信號(hào)的判別和控制。下面詳細(xì)介紹超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊，其主要任務(wù)是單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的脈沖串，以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波，同時(shí)采用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，由傳輸時(shí)間計(jì)算距離，進(jìn)而控制智能球車(chē)的運(yùn)行方式[5-6]。
??? 為節(jié)約硬件成本，采用AT89C51定時(shí)器T0作為40 kHz發(fā)射脈沖的定時(shí)器，定時(shí)周期為25/2 μs，根據(jù)要求，單片機(jī)引腳發(fā)出的是脈沖串，即每20個(gè)脈沖為1串。脈沖串發(fā)送完畢后，須調(diào)用一段延時(shí)程序，用來(lái)屏蔽超聲波從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭引起的干擾，然后使能外部中斷，等待回波到來(lái)。接收時(shí)啟動(dòng)T0發(fā)射脈沖的同時(shí)，計(jì)數(shù)器T1開(kāi)始計(jì)數(shù)，測(cè)量從超聲波發(fā)射到回波的時(shí)間。當(dāng)接收電路接收到反射的回波后，產(chǎn)生外部中斷信號(hào)，進(jìn)入外部中斷處理子程序，關(guān)閉計(jì)數(shù)器T1，讀出超聲波的傳輸時(shí)間，利用傳輸時(shí)間和聲速計(jì)算出距離，從而產(chǎn)生控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。
??? 本系統(tǒng)是紅外定位、超聲測(cè)距技術(shù)在高爾夫運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，能夠自主跟蹤運(yùn)動(dòng)者，可以減少球場(chǎng)人員開(kāi)支，為實(shí)現(xiàn)高爾夫運(yùn)動(dòng)智能化、人性化創(chuàng)造了有利條件。加之高爾夫運(yùn)動(dòng)的逐漸普及，有著很好的應(yīng)用前景，已與幾家高爾夫球場(chǎng)進(jìn)行嘗試合作，球車(chē)實(shí)物如圖3所示。另外，系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，可加入圖像處理等技術(shù)，使功能更加完善，適應(yīng)性更強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、思想和模塊可借鑒于其他跟蹤控制系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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