论文总字数：20823字

摘 要

随着经济的发展，人们对于生活质量的要求越来越高，这也导致人们对于智能化设备的需求也越来越多。本文旨在设计一个自动跟随小车，它能提高生活质量和工作效率。

本文基于超声波定位和自动控制理论完成了自动跟随小车的设计。首先对超声波测距和三维定位基本原理进行深入研究，在保证获取准确的位置信息的前提下，完成了超声波定位模块的设计。该模块以单向式超声波测距为基础获取距离值，再经过基于高斯消元与牛顿迭代的坐标估计模型，获取目标物的坐标。

在完成坐标估计的基础上，根据坐标信息利用单片机控制左右两路电机，实现小车的左右转向和前后移动，进而实现小车的自动跟随效果。

关键词：超声波三维定位 单片机 电机驱动 自动跟随

Automatic tracking car based on ultrasonic three - dimensional positioning technology

Abstract

With the development of economy, People have higher and higher requirements for the quality of life, This also leads to the increasing demand for intelligent devices. This paper aims to design an automatic following car, which can improve the quality of life and work efficiency.

Based on the theory of ultrasonic positioning and automatic control, the design of automatic following car is completed in this paper.Firstly, the basic principles of ultrasonic ranging and three-dimensional positioning are studied in depth. On the premise of obtaining accurate position information, the design of ultrasonic positioning module is completed.This module obtains the distance value based on the unidirectional ultrasonic ranging, and then obtains the coordinates of the target object through the coordinate estimation model based on gaussian elimination and Newton iteration.

On the basis of coordinate estimation, the left and right steering and forward and backward movement of the car can be realized by using the single chip microcomputer to control the left and right motors according to the coordinate information, and then the automatic following effect of the car can be realized.

Key Words: Ultrasonic three - dimensional positioning ; SCM; motor drive; automatically follow

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 定位方案选择 1

1.3 课题主要研究内容 2

第二章 相关技术介绍 3

2.1 超声波测距基本原理 3

2.2三维定位基本原理 4

2.2.1超声波三维定位方案 4

2.2.2定位算法分析 5

第三章 系统硬件设计 9

3.1超声波测距模块 9

3.1.1超声波发射模块 9

3.1.2超声波接收模块 10

3.1.3三维定位坐标系的搭建 10

3.2信号处理模块 10

3.3电机驱动模块 11

3.4电源模块 12

第四章 系统软件设计 14

4.1系统功能设计 14

4.2距离采集程序设计 15

4.3定位算法程序设计 18

4.3.1高斯消元法 18

4.3.2牛顿迭代法 20

4.4电机驱动程序设计 21

第五章 系统测试及分析 25

5.1硬件调试 25

5.1.1超声波测距模块 25

5.1.2电机驱动模块 26

5.2软件调试 26

5.2.1超声波测距 26

5.2.2三维定位 27

5.3调试结果 27

总结 28

参考文献 29

致谢 30

绪论

1.1 研究背景和意义

为了满足人们在宾馆、机场等公共场所，以及家庭生活和工厂的对于方便出行、提高工作效率的需求，市场上关于自动跟随的产品也在不断出现，而且随着定位技术的愈加丰富，定位效果和定位范围也越来越好。

为了实现小范围的自动跟随，本文设计并实现小车的自动跟随，它能够在机场火车站候车大厅等平坦开阔的室内环境中跟随人的移动而移动，也可以将自动跟随系统有效的扩展，使得生活更加的智能。

1.2定位方案选择

本文最终实现的是自动跟随小车，而且是对目标移动物的跟随，所以采用何种方式进行定位，是整个设计的重点。定位方案的选择决定了定位算法的选择以及整体硬件电路的结构。

通过对相关文献的阅读，得知定位方法主要分为相对和绝对两定位方法。目前常用的定位方式有以下几种：基于视觉定位、红外线定位、蓝牙定位、超声波定位。

（1）基于视觉定位是一种很直接有效的定位方式，它可以通过使用视觉传感器直接获取目标物的图像，然后再进行图像处理，进而获取目标物的位置信息。该方法在图像处理上难度较大，不过可以在较复杂的工作环境中实现定位，能够对目标物进行区分，定位准确度较高。

（2）红外线技术室内定位是通过安装在室内的光学传感器，接收各移动设备（红外线IR标识）发射调制的红外射线进行定位，具有相对较高的室内定位精度。由于红外线无法穿越障碍物，所以无法工作在复杂的环境下，只适合用于一些大型的室内，而且红外线室内定位的整体造价较高。

（3）蓝牙定位是基于信号强度的定位方式，具体的实现方式是保证有很多的蓝牙局域网接入点，使被定为目标不断发射蓝牙信号由固定好的接入点接收，进而获取信号的强度，从而获取距离值判断出目标物的位置。蓝牙定位需要使用很多的基站，而且是由电池供电的，需要经常更换，所以蓝牙定位的成本也是很高的，而且定位的范围较小。

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