新型減負(fù)拉桿箱的設(shè)計(jì)

李慧秀，徐茂華

（大連科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，大連 116052）

1 引言

當(dāng)前社會(huì)上做微商的人越來(lái)越多，尤其去日本韓國(guó)拿化妝品回來(lái)在朋友圈里賣的人越來(lái)越多，這時(shí)拉桿箱就成為必不可少的拖載物品。而我們大部分的拉桿箱都配有4個(gè)小輪的拉桿箱，除可作360度的旋轉(zhuǎn)外，在平地更可以推動(dòng)，但隨著我們需要攜帶物品數(shù)量的增加，拉桿箱攜帶物品也不是一件輕松的事情了。根據(jù)調(diào)查了解，如果拉動(dòng)拉桿箱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即便有輪子輔助，也會(huì)使人身體疲憊，尤其對(duì)于一些微商，出國(guó)大量采購(gòu)，如此多的物品即使有拉桿箱托運(yùn)，也會(huì)很累。如今隨著科技的高速發(fā)展，我們可以將智能化運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域，在智能化的基礎(chǔ)上對(duì)拉桿箱進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，使拉桿箱可以不耗費(fèi)人力行走，方便行李托運(yùn)，滿足人們的出行需求。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該電動(dòng)拉桿箱電氣控制部分是由電源模塊，主控模塊，狀態(tài)檢測(cè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，狀態(tài)控制模塊以及電機(jī)七部分組成。通過(guò)對(duì)編碼器與狀態(tài)檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合，獲得了實(shí)時(shí)的、低噪聲的拉桿箱傾角信息與電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，采用雙閉環(huán)控制算法調(diào)整PWM占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拉桿箱前行后退、轉(zhuǎn)向等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

電源模塊：

在電源這一塊，主要由三塊可充電的12V鋰電池來(lái)供電，通過(guò)可防止插反的T型接頭接入電源電路。首先，在開關(guān)的后面設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓檢測(cè)電路，其目的是實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓并在OLED屏上顯示出來(lái)。當(dāng)供電電壓低于保護(hù)電壓時(shí)，LED燈閃爍提示充電，而不至于過(guò)度放電導(dǎo)致電池?fù)p壞。由于控制板還需要其他電壓，所以還需要通過(guò)LM317降壓后穩(wěn)壓在15V，在通過(guò)LM7805降壓后穩(wěn)壓在5V，這個(gè)轉(zhuǎn)換出來(lái)的電壓主要用于傳感器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)；最后，在5V的基礎(chǔ)上又通過(guò)LM1117三端穩(wěn)壓為3.3V，這個(gè)3.3V主要是給低功耗元器件供電的，比如說(shuō)STM32、OLED等都需要3.3V電壓供電。

2.2 主控模塊

主控模塊選擇STM32F103C8T6作為中央控制器。在拉桿箱主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用1個(gè)復(fù)位按鈕，可用于復(fù)位STM32系統(tǒng)上的相關(guān)外設(shè)；1個(gè)SW調(diào)試下載接口，極大的精簡(jiǎn)了下載調(diào)試需要占用的IO資源和PCB板整體尺寸，SW只需兩個(gè)IO口即可在線仿真調(diào)試，能夠清楚的觀測(cè)到STM32內(nèi)核寄存器運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)變量，為后期的調(diào)試帶來(lái)很大的便利。

2.3 狀態(tài)檢測(cè)模塊

該拉桿箱使用MPU6050芯片作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路。為滿足拉桿箱行走時(shí)的平衡需求，傳感器集成了陀螺儀和加速器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)X軸和Y軸實(shí)時(shí)輸出數(shù)值，IIC接口鏈接STM32，用以采集檢測(cè)數(shù)值。我們利用卡爾曼濾波算法處理加速度值和陀螺儀值來(lái)進(jìn)行運(yùn)行姿態(tài)估計(jì)，通過(guò)數(shù)值變化準(zhǔn)確反映出拉桿箱行駛速度和姿態(tài)變化，保證拉桿箱平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 電源模塊

圖3 主控模塊

圖4 狀態(tài)檢測(cè)模塊

2.4 狀態(tài)控制模塊

當(dāng)我們要轉(zhuǎn)彎時(shí)，為識(shí)別轉(zhuǎn)彎意圖和測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角，我們可以采用旋轉(zhuǎn)變阻器轉(zhuǎn)角傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。當(dāng)傳感器識(shí)別到使用者轉(zhuǎn)彎意圖的同時(shí)，向運(yùn)算模塊發(fā)出轉(zhuǎn)彎指令以及轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)角傳感器可安裝在拉桿上，運(yùn)行過(guò)程中傳感器直接輸出角度成比例的電壓值給運(yùn)算模塊，運(yùn)算模塊再根據(jù)實(shí)時(shí)電壓值判斷轉(zhuǎn)彎情況，調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度來(lái)實(shí)現(xiàn)成功轉(zhuǎn)彎。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊使用的是250W36V的有刷直流減速電機(jī)，利用功率NMOS管的開關(guān)特性，配合IR2104S半橋驅(qū)動(dòng)器組成H全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案，簡(jiǎn)單實(shí)用、廉價(jià)、性能滿足使用需求。

2.6 編碼器電路

該系統(tǒng)選用AS5040旋轉(zhuǎn)磁編碼器芯片。AS5040旋轉(zhuǎn)磁編碼器擁有磁鐵位置檢測(cè)和斷電監(jiān)測(cè)的故障檢測(cè)模式，旋轉(zhuǎn)速率高達(dá)10000rpm。該編碼器使用的是正交編碼模式，可通過(guò)A_LSB_U、B_Dir_V引腳輸出正交A/B相的矩形脈沖波，利用STM32編碼器模式的輸入捕獲功能和軟件四倍頻法可直接測(cè)量矩形脈沖數(shù)并通過(guò)公式計(jì)算可得電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。可以很方便測(cè)量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.7 顯示模塊

該設(shè)計(jì)中使用的是6線的SPI串行通信的OLED顯示屏，它的分辨率為128*64，能顯示漢字、圖片、字符等多樣化的信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后檢測(cè)電源開關(guān)是否合上，合上后經(jīng)MPU6050及AS5040進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到拉桿箱當(dāng)前狀態(tài)并送到MCU，根據(jù)當(dāng)前值與計(jì)算值的差值通過(guò)PID算法控制PWM輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制功能。

4 系統(tǒng)校正

針對(duì)系統(tǒng)干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)中采取以下幾個(gè)措施來(lái)提高硬件系統(tǒng)的抗干擾能力：在主控制電路輸出四路PWM脈寬調(diào)制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)板之間放置光耦做光電隔離，防止驅(qū)動(dòng)板的大電流信號(hào)對(duì)主控板的小信號(hào)造成干擾；在旋轉(zhuǎn)磁編碼器A，B正交信號(hào)干路上放置濾波RC濾波器進(jìn)行濾波處理。

圖6 主程序

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠自平衡減負(fù)荷的拉桿箱，并對(duì)硬件系統(tǒng)搭建以及軟件算法設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)具有很好的自平衡功能，在極大程度上減輕使用者的負(fù)擔(dān)。另外，該自平衡系統(tǒng)將自動(dòng)化控制理論與人工智能有機(jī)結(jié)合起來(lái)自動(dòng)平衡減負(fù)拉桿箱的設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的影響。