摘 要： 隨著高爾夫球運動的日益普及和發展，球童等專業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，設計了一個智能高爾夫球服務車，它能承載球具，實現全面智能跟蹤球手的功能。
??? 關鍵詞： 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，現已形成一個具有巨大潛能的市場。縱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人員空缺較大。雇傭一個專業球童的價格不菲，而且過多的人員走動會影響球手發揮，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，設計出了一種智能自動高爾夫球車，它能承載球具，根據設定距離自動跟蹤運動員行進，讓球手更加自如地發揮。
1 系統硬件設計
1.1 系統構成
??? 系統以AT89C51單片機為主控制器，結合紅外線定位、超聲測距、電機控制、電源檢測等技術，其結構如圖1所示。工作原理：球手佩戴一個紅外信號發射器，向外發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°，不產生信號盲區；接收到的信號經相應處理送入到MCU，對球手位置進行定位，產生電動機驅動信號，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射/接收器的CMOS大規模集成電路BL9148/BL9149和紅外接收頭CHQ0038組成。接收芯片BL9148與BL9149聯合使用，可完成10個控制功能。該芯片能發射75條指令，利用它可組成多鍵操作；另外12個是單發指令，利用它可組成單鍵操作[1]。依據車體的高度，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，即由超聲波發射機發射超聲波，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，此時計時結束。超聲波往返的時間為t，根據s=ct/2，即可計算出超聲波收發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出超聲波(一般40 kHz～60 kHz)，接著超聲換能器轉入接收狀態，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束，通過測量聲波的進程時間并根據聲波在介質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射、接收電路[3]。
1.3.2 超聲波發射電路
??? 超聲波發射器在幅度為20 V、頻率為40 kHz的方波驅動下，發出頻率為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射至接收到回波信號所需的時間為t，根據公式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，可能還是動態的，故用AT89C51的P1.0發出間歇式的脈沖串(每20個脈沖為1串)，等到接收到回波并計算出距離后再發下一串脈沖，這樣發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換成電壓信號(正弦波)，經過二級放大以后，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觸發器的時鐘端，將D 端扣上預先設置好的低電平從Q端發送出。該低電平作為AT89C51外部中斷的中斷信號使之產生中斷，在中斷服務程序中停止計數器T1的計時，并計算出有關數據[4]。
1.4 電機驅動電路
??? 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，其具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍寬；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無極快速啟動、制動和反轉，能滿足各種特殊運行要求。本設計選用的減速直流電機轉速為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。
??? 利用電機驅動芯片L298N進行直流電機的驅動，1塊芯片可實現2個直流電機的正反轉，通過脈寬調制波控制電機的轉速，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，ENA、ENB接控制使能端，控制電機的停轉。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、右轉彎等運行動作。
2 系統軟件設計
??? 軟件部分共分3大模塊：超聲波驅動與數據處理模塊、紅外線驅動模塊、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動與數據處理模塊，其主要任務是單片機產生40 kHz的脈沖串，以驅動超聲波換能器發射超聲波，同時采用計數器計時。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]。
??? 為節約硬件成本，采用AT89C51定時器T0作為40 kHz發射脈沖的定時器，定時周期為25/2 μs，根據要求，單片機引腳發出的是脈沖串，即每20個脈沖為1串。脈沖串發送完畢后，須調用一段延時程序，用來屏蔽超聲波從發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發射脈沖的同時，計數器T1開始計數，測量從超聲波發射到回波的時間。當接收電路接收到反射的回波后，產生外部中斷信號，進入外部中斷處理子程序，關閉計數器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，從而產生控制電機運動的信號。
??? 本系統是紅外定位、超聲測距技術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，為實現高爾夫運動智能化、人性化創造了有利條件。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，系統具有很好的擴展性，可加入圖像處理等技術，使功能更加完善，適應性更強，系統的設計原理、思想和模塊可借鑒于其他跟蹤控制系統，具有較高的應用價值。
參考文獻
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[2] 王安敏，張凱.基于AT89C52單片機的超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器，2006(6)：45-47.
[3] 劉嘉.移動機器人底層運動控制系統的設計[D].杭州：浙江大學，2007：30-31.
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[5] 駱立安，屈百達.基于TMS320LF2407A的高爾夫球車數控系統[J].電力電子技術，2008，42(10)：25-26.
[6] 劉嘉，韋巍.高爾夫球童機器人運動控制系統的設計[J]. 電子技術應用，2006，32(10)：91-92.