智能跟随防撞小车与防撞方法专利

说明书摘要
本发明公开了一种智能跟随防撞小车及对应的防撞方法，该小车包括车
架、车轮、无线信号传感器、驱动器和控制器；车架前部下方设置有两个驱
动轮，后部下方设置有两个万向轮；红外传感器包括红外线发射装置和红外
线接收装置；车架前部外侧中心位置设置有红外线接收装置，红外线接收装
置两侧对称地设置有两组超声波传感器，红外线发射装置为远程无线遥控装5
置；驱动轮连接有所述驱动器，驱动器与控制器连接；控制器内设置有中心
控制模块，和与中心控制模块信号连接的红外定位模块、超声波测距模块和
驱动模块。

本发明适用于机场等场合乘客行李搬运，也适合于商场的职能购
物车，及大型车间的工具搬运等，具有广阔的市场前景。

10
摘要附图
1、一种智能跟随防撞小车，包括车架、车轮、无线信号传感器、驱动器和控制器；其特征在于：所述车轮包括驱动轮和万向轮，所述车架前部下方设置有两个驱动轮，后部下方设置有两个万向轮；所述无线信号传感器包括红外传感器和超声波传感器，所述红外传感器包括红外线发射装置和红外线接收装置；所述车架前部外侧中心位置设置有所述红外线接收装置，所述红外线接收装置两侧对称地设置有两组所述超声波传感器，所述红外线发射装置为远程无线遥控装置；所述驱动轮连接有所述驱动器，所述驱动器与所述控制器连接；
所述控制器内设置有中心控制模块，和与所述中心控制模块信号连接的红外定位模块、超声波测距模块和驱动模块。

2、如权利要求1所述的智能跟随防撞小车，其特征在于：其还包括一雷达，所述雷达的工作电压范围为3.3V-20V直流电，发射功率≦2mW。

3、如权利要求1所述的智能跟随防撞小车，其特征在于：所述超声波测距模块的工作电压范围为2.4V-5.5V直流电，探测距离为2cm-450cm。

4、如权利要求1所述的智能跟随防撞小车，其特征在于：所述驱动模块采用L298N双H桥直流电机驱动芯片。

5、如权利要求1所述的智能跟随防撞小车，其特征在于：所述中心控制模块采用Arduino Uno处理器。

6.一种采用权利要求1-5所述的智能跟随防撞小车的防撞方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一：两组所述超声波传感器接收目标人体发出的电磁波；
步骤二：所述超声波传感器将接收的电磁波信号发送至所述中心控制模块，所述中心控制模块判断接收的两组信号的强弱，若左侧信号强，则右轮加速；若右侧信号强，则左轮加速；若信号强度相同，则左右轮同速；
步骤三：所述红外线接收装置接收所述远程无线遥控装置发出的信号，
并发送至所述中心控制模块，所述中心控制模块计算跟随距离；若跟随距离大于预设值D，则两轮加速；若跟随距离小于预设值D，则两轮减速；
步骤四：重复步骤二与步骤三，保持两组所述超声波传感器接收的电磁波信号相同，且跟随距离保持不变；
步骤五：若所述红外线接收装置和/或所述超声波传感器检测到有遮挡物的距离小于50cm，则小车自动停止；若遮挡物的距离大于50cm，则小车继续按预设程序前进并检测。

智能跟随防撞小车和防撞方法
技术领域
本发明涉及智能机电领域，特别涉及一种智能跟随防撞小车与防撞方法。

5
背景技术
在机场、高铁站、超市等场合，人们一般会拖运较多重物；虽有推车等工具协助搬运，但一旦需要接电话、喝水等简单行为，则需要停止搬运。

另外，对于搬运工具的安全也需要自己格外小心。

在电子自动化日益成熟的今
10
天，可设计一种能够智能跟随的小车，来帮助人们搬运行李，最大程度减轻人们在旅行途中的负担。

申请号为CN201210379250.1的专利提出了一种“自动跟随行李箱”，通过采用电力驱动，能够随着携带控制器的人的行走轨迹运动，而无需拖曳。

但该专利仅提出了机械结构设计，并未公开具体的控制过程和控制模块的选
15
用和电路连接。

申请号为CN201320189204.5的专利也提出了一种自动跟随小车及自动跟随行李箱，其控制器集成与智能小车上，无需人体上的信号发射器，定位容易受到干扰。

发明内容
20
本发明的主要目的是提出一种智能跟随防撞小车，旨在解决智能跟随和防止撞人与撞物的设计。

为实现上述目的，本发明提出一种智能跟随防撞小车，包括车架、车轮、无线信号传感器、驱动器和控制器；所述车轮包括驱动轮和万向轮，所述车架前部下方设置有两个驱动轮，后部下方设置有两个万向轮；所述无线信号传感25
器包括红外传感器和超声波传感器，所述红外传感器包括红外线发射装置和红外线接收装置；所述车架前部外侧中心位置设置有所述红外线接收装置，所述红外线接收装置两侧对称地设置有两组所述超声波传感器，所述红外线发射装置为远程无线遥控装置；所述驱动轮连接有所述驱动器，所述驱动器与所述控制器连接；
30
所述控制器内设置有中心控制模块，和与所述中心控制模块信号连接的红
外定位模块、超声波测距模块和驱动模块。

优选地，所述智能跟随防撞小车还包括一雷达，所述雷达的工作电压范围
为3.3V-20V直流电，发射功率≦2mW。

（图纸中没有雷达，只有红外线收发装置，但具体的电路连接中没有红外5
收发装置，只有雷达，请确认是不是有三个检测装置：红外、雷达和超声波？
如果是，请分别说明作用，和三个的工作流程（即信号检测运算的先后顺序、
检测数值的交叉计算等））
优选地，所述超声波测距模块的工作电压范围为2.4V-5.5V直流电，探测距10
离为2cm-450cm。

优选地，所述驱动模块采用L298N双H桥直流电机驱动芯片。

优选地，所述中心控制模块采用Arduino Uno处理器。

15
根据所述的智能跟随防撞小车，本发明还进一步提出一种防撞方法，其包
括如下步骤：
步骤一：两组所述超声波传感器接收目标人体发出的电磁波；
步骤二：所述超声波传感器将接收的电磁波信号发送至所述中心控制模块，20
所述中心控制模块判断接收的两组信号的强弱，若左侧信号强，则右轮加速；
若右侧信号强，则左轮加速；若信号强度相同，则左右轮同速；
步骤三：所述红外线接收装置接收所述远程无线遥控装置发出的信号，并
发送至所述中心控制模块，所述中心控制模块计算跟随距离；若跟随距离大于
预设值D，则两轮加速；若跟随距离小于预设值D，则两轮减速；
25
步骤四：重复步骤二与步骤三，保持两组所述超声波传感器接收的电磁波
信号相同，且跟随距离保持不变；
步骤五：若所述红外线接收装置和/或所述超声波传感器检测到有遮挡物的
距离小于50cm，则小车自动停止；若遮挡物的距离大于50cm，则小车继续按预
设程序前进并检测。

30
本发明的智能跟随防撞小车，在通电状态下，目标人体身上的电磁波发射
器发出的信号被加装在小车前端两边的两组超声波传感器接收到后，根据这两
组信号强弱判断目标人体的相对方位；当一组超声波传感器收到的信号较强时，
可断定目标人体偏向该管，小车转向该向行驶。

通过设定较短的时间，在行驶
过程中不断进行两端信号的对比，使小车始终朝着目标人体的方向行驶；当两5
组超声波传感器收到等强的信号后可断定目标在前方，可令小车前行或停止（根
据单片机设定的跟踪距离1m-2m来控制，距离在该范围内保持正常前进，低于最
小值时小车减速，超过最大值时加速）；当车体周围存在障碍物（<50cm）时,启
动避障系统。

本发明成本低廉，便于推广。

适用于机场、高铁站等场合乘客行
李搬运，也适合于大型商场的职能购物车，还有大型车间中设备检验人员的工10
具搬运等多种场合，具有广阔的市场前景和可观的经济效益、社会效益。

附图说明
图1为本发明的智能跟随防撞小车的使用状态示意图；
图2为本发明的智能跟随防撞小车的自动跟随流程图；
图3为本发明的智能跟随防撞小车的信号传输模块图。

15
图4为本发明的智能跟随防撞小车的超声波传感器循迹流程图。

图5为本发明的智能跟随防撞小车的系统组装模块图。

图6为本发明的AT89S52单片机的管脚图。

图7为本发明的智能跟随防撞小车的实地测试结果。

标号说明：
20
红外线发射装置1,电机支座2,单片机控制系统3,车架4,万向轮5,驱动器6,
电机7,驱动轮8,超声波传感器9，红外线接收装置10，目标人体11。

具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

25
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下
所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、
前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）
下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，
30
则该方向性指示也相应地随之改变。

本发明提出一种智能跟随防撞小车，其结构如图1所示，包括车架4、车轮、
无线信号传感器（包括红外线发射器1、超声波传感器9和红外线接收装置10）、
驱动器6和控制器（即单片机控制系统3）；其中所述车轮包括驱动轮8和万向
轮5，所述车架4的前部下方设置有两个驱动轮8，后部下方设置有两个万向轮5
5；所述无线信号传感器包括红外传感器和超声波传感器9，所述红外传感器又
包括红外线发射装置1和红外线接收装置10；所述车架4前部外侧中心位置设
置有所述红外线接收装置10，所述红外线接收装置10两侧对称地设置有两组所
述超声波传感器9，所述红外线发射装置1为远程无线遥控装置，可装设于目标
人体的身上；所述驱动轮8连接有所述驱动器6，所述驱动器6与所述控制器连10
接。

使用时，如图2所示，红外线接收装置10接收红外线发射装置1的信号，
并将该信号发送至控制器，控制器经过运算初步判断目标人体与小车的距离，
并根据该距离和预设距离D输出小车控制指令，从而控制小车前进、后退或是
停止。

同时两组所述超声波传感器9也向目标人体发出信号，并接收反馈的信15
号，再将接收的反馈信号传递给控制器；控制器根据这两组反馈信号强弱判断
目标的相对方位；当一组接收管收到的信号较强时，可断定目标偏向该管的方
向，则小车转向该向行驶。

可预设一个较短时间，使其在该段行驶时间内，不
断地进行两组信号的对比，从而使小车始终朝着目标人体的方向行驶。

当两组
超声波传感器9的接收机收到等强的信号时，则可断定目标在前方，可令小车20
前行或停止。

前进或停止的触发距离可预设在1m到2m之间。

当小车与目标人
体的距离在该范围内，则保持正常前进，若低于距离最小值时，小车减速；若
超过距离最大值则加速前进。

同时，还需设置防撞机制：当车体周围存在障碍
物时，启动壁障机制。

可预设当距离小车50cm以内有遮挡物时，则判断周围存
在障碍物；壁障机制可以为绕开，当无法绕开始则停止。

25
为了达到顺利地跟随并绕开障碍物的目的，所述控制器需和各个传感器及
执行装置的硬件保持即时的信号连通，即所述控制器内设置有中心控制模块，
该中心控制模块与红外定位模块、超声波测距模块和驱动模块信号连通。

所述
红外定位模块包括红外线发射装置1和红外线接收装置10，及其关联电路，所
述超声波测距模块包括两组超声波传感器9及其关联电路，所述驱动模块包括30
驱动器6和驱动轮8，及其关联电路。

为了提高定位精度，如图3所示，所述智能跟随防撞小车包括一雷达，所述
雷达的工作电压范围为3.3V-20V直流电，发射功率≦2mW。

在图示的实施例中选
用的雷达参数如下：
1、模块工作电压：3.3-20VDC；
5
2、待机静态电流：≦3mA；
3、发射功率：≦2mW；
4、工作温度环境：-20°— +80°；
5、触发方式：重复触发（默认）；
6、输出信号：TTL电平，高有效；高电平3.3V 低电平0V；
10
7、探测角度：360°（球面）无死角；
8、探测距离：6-9米（订购时可选）。

默认设定8米；
9、工作延时：1秒到几百秒（订购时可选）,默认设定30S；
10、光敏控制：根据外界的光线强度控制感应模块的工作状态，达到节能效果。

微波感应采用平面天线发射及接受回波，开关为主动式传感器，感应器发射15
高频电磁波并接收他们的回波。

此感应器探测回波内的变化甚至是真探测范围
内微小的移动，然后微处理器触发,执行指令.信号通过门、玻璃板及薄的墙壁
都有可能被探测到，本产品抗干扰能力强，几乎不受风，热等外籍环境因素的
干扰。

本实施例中的超声波测距模块的工作电压范围为2.4V-5.5V直流电，探测距20
离为2cm-450cm。

主要技术参数如下表：
表1. 超声波测距模块技术参数
所述中心控制模块采用Arduino Uno处理器，所述驱动模块采用L298N双H桥
直流电机驱动芯片。

如图3所示，本系统主要由雷达传感器、Arduino Uno、直
流电机、超声波传感器模块、L298N电机驱动模块组成，其主要功能是通过雷达
传感器发射信号（有的地方叫雷达，有的是雷达传感器，有的是雷达传感器发5
射信号，请确认具体名称；另外，请明确本文所说的雷达传感器是否只包括发
射信号部分，而不包括接收信号部分？或是都包括），Arduino采集雷达传感器
的左右信号（Arduino采集雷达信号指的是纯软件接收雷达反馈的信号，还是自
带有采集电路？如果带有采集电路，请在图5中更详细的表示出来），经过
Arduino Uno的比较，判断小车的跟随方向，而通过超声波传感器模块的信号，10
来判断跟随的距离。

Arduino Uno 是一款开源电子原型平台，包含硬件和软件，可通过各种各
样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。

其微控制器可以通过Arduino Uno的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，
烧录进微控制器对Arduino Uno的编程是利用 Arduino Uno编程语言 (基于15
Wiring)和Arduino Uno开发环境(based on Processing)来实现的。

基于Arduino
Uno的项目，可以只包含Arduino Uno，也可以包含Arduino Uno和其他一些在PC
上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。

根据前述的智能跟随防撞小车的结构设计和程序设计，本发明还提出一种20
防撞方法，其包括如下步骤：
步骤一：两组所述超声波传感器接收目标人体发出的电磁波；
步骤二：所述超声波传感器将接收的电磁波信号发送至所述中心控制模块，
所述中心控制模块判断接收的两组信号的强弱，若左侧信号强，则右轮加速；
若右侧信号强，则左轮加速；若信号强度相同，则左右轮同速；
25
步骤三：所述红外线接收装置接收所述远程无线遥控装置发出的信号，并
发送至所述中心控制模块，所述中心控制模块计算跟随距离；若跟随距离大于
预设值D，则两轮加速；若跟随距离小于预设值D，则两轮减速；（请确认是否正
确？因为之前的文件中并没有描述雷达的参与，是否将此处的红外传感器替换
为雷达了？如果没有，请描述雷达的参与步骤和作用）
步骤四：重复步骤二与步骤三（是否有确定先后顺序？），保持两组所述超5
声波传感器接收的电磁波信号相同，且跟随距离保持不变；
步骤五：若所述红外线接收装置和/或所述超声波传感器检测到有遮挡物的
距离小于50cm，则小车自动停止；若遮挡物的距离大于50cm，则小车继续按预
设程序前进并检测。

由于本设计在定位、避障模块中采用的是集成的QTI循迹模块，故循迹
10
装置内部电路无需再重新设计，仅需将集成的QTI循迹模块正确连入AT89S52
单片机中集可。

具体电路连接图见图4和图5。

（此处的循迹模块是否指的是
各传感器和驱动器、驱动轮、及其对应的软件中循迹部分的总称？而避障模
块则是各传感器和驱动器、驱动轮、及其对应的软件中避障部分的总称？）
对于每个（为什么是每个？本发明中只有一个小车）小车而言，主控电
15
路的核心器件为AT89S52单片机，通过此单片机来控制小车完成预计的功能。

其中，小车的启动、复位、断电都需要手动开关来控制。

由QTI循迹模块组
成的循迹电路进行实时监测，不断判断小车的位置，并将检测到的信息发回
给单片机，单片机经过运算后，发送PWM波给电机，从而控制小车速度、启
停、转弯、直线行驶等。

除此之外，两个小车（为什么是两个？）的单片机
20
还都需要连接一个雷达模块，用于单片机判断主人的位置。

图7为本发明在室内测试的结果。

可以看出本发明的智能跟随防撞小车，
反应迅速、定位准确、实时跟踪的特点；而且操作简单，自动化程度高。

使
用时，目标人体只需携带一个小小的无线装置，然后打开开关，设定好保持
距离、运动速度等参数，便能自动跟踪目标，跟随目标运动。

本设计使用的
25
核心技术成熟，成本低廉，便于推广。

适用于机场、高铁站等场合乘客行李
搬运，也适合于大型商场的职能购物车，还有大型车间中设备检验人员的工
具搬运等多种场合，能很好的解放双手。

本发明具有广阔的市场前景和可观
的经济效益、社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，
30
凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

图1
图2
图3
图4
图5
图6
图7。