摘 要: 隨著高爾夫球運動的日益普及和發(fā)展,球童等專業(yè)服務人員的空缺成了一個較突出的問題。針對此問題,綜合運用紅外線定位、超聲測距、電機控制等技術(shù),設計了一個智能高爾夫球服務車,它能承載球具,實現(xiàn)全面智能跟蹤球手的功能。
??? 關(guān)鍵詞: 智能高爾夫球服務車;紅外定位;超聲測距;電機控制
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?? 20世紀80年代末,高爾夫運動傳入我國,現(xiàn)已形成一個具有巨大潛能的市場??v觀高爾夫場的人員情況,底層工作人員特別是球童一類的專業(yè)人員空缺較大。雇傭一個專業(yè)球童的價格不菲,而且過多的人員走動會影響球手發(fā)揮,同時破壞植被。為解決上述問題,本文綜合運用紅外線定位、超聲測距等技術(shù),設計出了一種智能自動高爾夫球車,它能承載球具,根據(jù)設定距離自動跟蹤運動員行進,讓球手更加自如地發(fā)揮。
1 系統(tǒng)硬件設計
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
??? 系統(tǒng)以AT89C51單片機為主控制器,結(jié)合紅外線定位、超聲測距、電機控制、電源檢測等技術(shù),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理:球手佩戴一個紅外信號發(fā)射器,向外發(fā)射特定波段的紅外信號,智能球車上安裝8個紅外接收頭,保證接收范圍可覆蓋360°,不產(chǎn)生信號盲區(qū);接收到的信號經(jīng)相應處理送入到MCU,對球手位置進行定位,產(chǎn)生電動機驅(qū)動信號,使球車向球手行駛;定位方向后利用超聲波測距,保證球車的定距停車,從而實現(xiàn)全面智能跟隨功能。此外,配有紅外遙控器,可對球車進行直接啟動停止及定向行進操作。
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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個是單發(fā)指令,利用它可組成單鍵操作[1]。依據(jù)車體的高度,在車頭共放置8個接收器,中間平行放置2個檢測前方信號的接收器,左右每隔30°放置1個接收器。單個接收電路如圖2所示。
1.3 超聲波測距電路
1.3.1 超聲波測距原理及選用器件
??? 本設計采用脈沖反射式測距機理,即由超聲波發(fā)射機發(fā)射超聲波,同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,當碰到障礙物時被反射,由超聲波接收機接收,此時計時結(jié)束。超聲波往返的時間為t,根據(jù)s=ct/2,即可計算出超聲波收發(fā)與障礙物之間的距離。其中c為超聲波波速,在測量精度要求不是很嚴格的情況下,可以認為c=340 m/s[2]。
??? 超聲傳感器工作機理是:在加上電壓時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),對接收的超聲波脈沖進行分析,當收到的聲波超出門檻電平時計時結(jié)束,通過測量聲波的進程時間并根據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳輸速率計算出從傳感器到目標物體的距離。本設計中使用的是T/R-40系列超聲波傳感器,其中發(fā)射器型號為T-40,接收器型號為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,通過單片機的定時器測出超聲波脈沖串發(fā)射至接收到回波信號所需的時間為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。由于要測量的距離不固定,可能還是動態(tài)的,故用AT89C51的P1.0發(fā)出間歇式的脈沖串(每20個脈沖為1串),等到接收到回波并計算出距離后再發(fā)下一串脈沖,這樣發(fā)1次脈沖測量1次距離,然后每5個距離取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轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波),經(jīng)過二級放大以后,被送入電壓比較器進行比較,電壓比較器輸出的方波信號控制D觸發(fā)器的時鐘端,將D 端扣上預先設置好的低電平從Q端發(fā)送出。該低電平作為AT89C51外部中斷的中斷信號使之產(chǎn)生中斷,在中斷服務程序中停止計數(shù)器T1的計時,并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)[4]。
1.4 電機驅(qū)動電路
??? 綜合考慮智能高爾夫球車精度要求和性價比等,選擇直流電機作為動力源,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;過載能力強,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn),能滿足各種特殊運行要求。本設計選用的減速直流電機轉(zhuǎn)速為120 r/min,車輪直徑(包括外胎)為8 cm,因此小車的最大速度可以達到:V=2πr·v=2×3.14×0.04×120/60=0.502 4 m/s。
??? 利用電機驅(qū)動芯片L298N進行直流電機的驅(qū)動,1塊芯片可實現(xiàn)2個直流電機的正反轉(zhuǎn),通過脈寬調(diào)制波控制電機的轉(zhuǎn)速,且還帶有控制使能端。L298N的使用非常簡單,OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機;5、7、10、12腳接輸入控制電平,控制電機的正反轉(zhuǎn),ENA、ENB接控制使能端,控制電機的停轉(zhuǎn)。4大功率管分為2組,交替接通到截止,以保證小車完成前進和后退,左、右轉(zhuǎn)彎等運行動作。
2 系統(tǒng)軟件設計
??? 軟件部分共分3大模塊:超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊、紅外線驅(qū)動模塊、電機及相應功能模塊。后2個模塊相對簡單,重點是對信號的判別和控制。下面詳細介紹超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊,其主要任務是單片機產(chǎn)生40 kHz的脈沖串,以驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波,同時采用計數(shù)器計時。當超聲波接收器接收到回波信號時停止計時,由傳輸時間計算距離,進而控制智能球車的運行方式[5-6]。
??? 為節(jié)約硬件成本,采用AT89C51定時器T0作為40 kHz發(fā)射脈沖的定時器,定時周期為25/2 μs,根據(jù)要求,單片機引腳發(fā)出的是脈沖串,即每20個脈沖為1串。脈沖串發(fā)送完畢后,須調(diào)用一段延時程序,用來屏蔽超聲波從發(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。接收時啟動T0發(fā)射脈沖的同時,計數(shù)器T1開始計數(shù),測量從超聲波發(fā)射到回波的時間。當接收電路接收到反射的回波后,產(chǎn)生外部中斷信號,進入外部中斷處理子程序,關(guān)閉計數(shù)器T1,讀出超聲波的傳輸時間,利用傳輸時間和聲速計算出距離,從而產(chǎn)生控制電機運動的信號。
??? 本系統(tǒng)是紅外定位、超聲測距技術(shù)在高爾夫運動領域的拓展應用,能夠自主跟蹤運動者,可以減少球場人員開支,為實現(xiàn)高爾夫運動智能化、人性化創(chuàng)造了有利條件。加之高爾夫運動的逐漸普及,有著很好的應用前景,已與幾家高爾夫球場進行嘗試合作,球車實物如圖3所示。另外,系統(tǒng)具有很好的擴展性,可加入圖像處理等技術(shù),使功能更加完善,適應性更強,系統(tǒng)的設計原理、思想和模塊可借鑒于其他跟蹤控制系統(tǒng),具有較高的應用價值。
參考文獻
[1] 紀宗南.紅外線遙控發(fā)射器的原理及應用[J].國外電子元器件,1999(10):32-34.
[2] 王安敏,張凱.基于AT89C52單片機的超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006(6):45-47.
[3] 劉嘉.移動機器人底層運動控制系統(tǒng)的設計[D].杭州:浙江大學,2007:30-31.
[4] 白雪姣.超聲波油量測量儀的研究[D].長春:吉林大學,2006:24-26.
[5] 駱立安,屈百達.基于TMS320LF2407A的高爾夫球車數(shù)控系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),2008,42(10):25-26.
[6] 劉嘉,韋巍.高爾夫球童機器人運動控制系統(tǒng)的設計[J]. 電子技術(shù)應用,2006,32(10):91-92.