基于Arduino的多功能自動(dòng)跟隨行李箱設(shè)計(jì)

彭秋潔 劉凱磊 康紹鵬 向承金 劉佳帥 況明鑫 王海斌

摘 要：根據(jù)消費(fèi)者對(duì)跟隨式行李箱的功能需求，分析了行李箱需要實(shí)現(xiàn)的功能有內(nèi)部空間自適應(yīng)變化、驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)收縮、拉桿自動(dòng)彈出等，進(jìn)而利用三維建模軟件Solidworks對(duì)自動(dòng)跟隨行李箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)自動(dòng)跟隨行李箱的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，選用了Arduino單片機(jī)、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器等相關(guān)元器件，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)控制要求，對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)各個(gè)子模塊進(jìn)行了軟件程序編寫，最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟隨行李箱的整體設(shè)計(jì)。從而為后續(xù)樣機(jī)制作及試驗(yàn)調(diào)試提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟隨;Arduino;跟隨行李箱;三維建模;多功能;Solidworks

0 引 言

隨著人們的生活水平不斷提高，消費(fèi)者對(duì)行李箱的需求也呈現(xiàn)出多樣化的傾向，過(guò)去比較單一的使用方式已經(jīng)不能滿足人們的需求。

為了緩解旅客在拖拉行李箱時(shí)造成的疲勞，市場(chǎng)上出現(xiàn)了智能跟隨式行李箱，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1-5]分別從優(yōu)化設(shè)計(jì)、跟隨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等方面進(jìn)行研究，取得了一定成果。然而，目前的跟隨式行李箱相比傳統(tǒng)行李箱由于增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，無(wú)疑減小了使用空間，增加了產(chǎn)品重量。這就使得跟隨式行李箱的功能需要進(jìn)一步完善，使其滿足消費(fèi)者的需求。

隨著控制技術(shù)[6]、監(jiān)控系統(tǒng)[7]、定位技術(shù)[8]等電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的Arduino開源單片機(jī)的發(fā)展[9]，為跟隨式行李箱的智能化設(shè)計(jì)提供了新的思路。因此，本文將對(duì)自動(dòng)跟隨行李箱的功能需求進(jìn)行分析，并對(duì)行李箱的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足相應(yīng)的功能。根據(jù)自動(dòng)跟隨行李箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用Arduino單片機(jī)作為主控制器，并采用相關(guān)元器件對(duì)行李箱控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成自動(dòng)跟隨行李箱的整體設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)跟隨行李箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

目前，自動(dòng)跟隨式行李箱由于采用了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和相關(guān)的電控元件，縮小了內(nèi)部的使用空間。消費(fèi)者行李較少時(shí)，需要的空間小，而行李較多時(shí)，需要更大的空間用以裝載更多物品。因此，實(shí)現(xiàn)行李箱內(nèi)部空間自動(dòng)變化是一重要的功能需求。自動(dòng)跟隨式行李箱在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，尤其是在樓梯、電梯、人多、粗糙路面等不適宜“自動(dòng)跟隨”的場(chǎng)合，需要將驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)收縮，從而完成自動(dòng)/手動(dòng)切換;另外，行李箱的拉桿需要人力拉出，其自動(dòng)化、智能化水平受到了一定限制。通過(guò)對(duì)自動(dòng)跟隨行李箱的功能需求進(jìn)行分析可知，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能有內(nèi)部空間自適應(yīng)變化、自動(dòng)/手動(dòng)自由切換、拉桿自動(dòng)彈出等。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

利用三維建模軟件Solidworks對(duì)多功能自動(dòng)跟隨式行李箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示為自動(dòng)跟隨行李箱的總體結(jié)構(gòu)三維示意圖，與普通行李箱的外觀類似，同樣擁有拉桿、密碼鎖、行李箱本體、萬(wàn)向輪等;此外，在行李箱本體上端的四個(gè)面裝有四個(gè)紅外傳感器，通過(guò)四個(gè)紅外傳感器可以檢測(cè)操作者的操作狀態(tài)。

內(nèi)部空間自適應(yīng)變化結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。將行李箱本體分為上箱體和下箱體兩個(gè)部分，上箱體的外形呈U字型，并內(nèi)嵌于下箱體，利用兩個(gè)空間電動(dòng)推桿將上箱體和下箱體連接，根據(jù)實(shí)時(shí)需求，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿的伸縮可以實(shí)現(xiàn)上箱體在下箱體內(nèi)部滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)部使用空間的自適應(yīng)變化。另外，在上箱體和下箱體上利用合頁(yè)設(shè)計(jì)了可以隨之活動(dòng)的上箱門和下箱門，上箱門同樣內(nèi)嵌于下箱門，并且可以同時(shí)打開和關(guān)閉。

驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)收縮結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)安裝支架固定于活動(dòng)板上，活動(dòng)板和行李箱的底部通過(guò)收縮電動(dòng)推桿連接。因此，驅(qū)動(dòng)輪可以通過(guò)收縮電動(dòng)推桿的伸出與縮回實(shí)現(xiàn)其在行李箱的底部上下移動(dòng)。

拉桿自動(dòng)彈出結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。筆式電動(dòng)推桿的一端固定于上箱體，另一端通過(guò)銷軸與拉桿的底端相連，拉桿在上箱體內(nèi)通過(guò)筆式電動(dòng)推桿的伸出與收縮可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)彈出與復(fù)位功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)跟隨式行李箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。采用Arduino UNO R3作為主控制器，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，并通過(guò)編碼器將轉(zhuǎn)速反饋給控制器，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的閉環(huán)反饋控制;同時(shí)，通過(guò)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器分別控制空間電動(dòng)推桿、收縮電動(dòng)推桿和筆式電動(dòng)推桿，并通過(guò)行程開關(guān)進(jìn)行反饋控制。另外，在行李箱上配備報(bào)警裝置、顯示裝置等。輸入裝置包括遙控器、紅外傳感器、避障傳感器、操作按鈕以及4G網(wǎng)絡(luò)通信接口等。整個(gè)硬件系統(tǒng)的電源模塊采用鋰電池進(jìn)行供電，并配備5 V/1 A、24 V/10 A的電源接口。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

在對(duì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完成以后，需要對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并編寫相應(yīng)程序，方可完成指定功能?？刂葡到y(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。其主要流程如下。

（1）程序初始化。

（2）數(shù)據(jù)采集，包括所有傳感器信號(hào)、操作按鈕、4G網(wǎng)絡(luò)通信接口信號(hào)等，如有異常，則利用報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

（3）判斷是否為遙控狀態(tài)，如果為遙控狀態(tài)，則可以通過(guò)遙控器完成空間自適應(yīng)變化、拉桿自動(dòng)彈出、驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)收縮、遙控驅(qū)動(dòng)等功能;如果為自動(dòng)狀態(tài)，則進(jìn)入到自動(dòng)模式。

（4）進(jìn)入自動(dòng)模式后，首先判斷前方是否有障礙物，如果有障礙物，則停止運(yùn)行;如果沒有障礙物則進(jìn)入自動(dòng)跟隨運(yùn)行模式。通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)操作者是直行還是轉(zhuǎn)彎，如果是直行，則進(jìn)入直行狀態(tài);如果是轉(zhuǎn)彎，則進(jìn)入轉(zhuǎn)彎狀態(tài)。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)程序流程圖及控制要求，采用與Arduino UNO R3單片機(jī)開發(fā)板對(duì)應(yīng)的Arduino IDE 編程軟件進(jìn)行編程，編程界面如圖7所示。軟件編程分別編寫遙控器控制模塊、自動(dòng)跟隨運(yùn)行模塊、空間自適應(yīng)變化模塊、拉桿自動(dòng)彈出模塊、驅(qū)動(dòng)自動(dòng)收縮模塊和遙控驅(qū)動(dòng)模塊等。

3.3 自動(dòng)跟隨運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)

在軟件程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，自動(dòng)跟隨運(yùn)行模塊由于用到了閉環(huán)反饋控制，相對(duì)較難，本文主要詳述此模塊。圖8為驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)跟隨運(yùn)行控制原理方框圖。從圖中可以看出，其分為自動(dòng)跟隨前進(jìn)控制模塊和自動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制模塊。

（1）自動(dòng)跟隨前進(jìn)控制模塊。根據(jù)帶測(cè)距功能的紅外傳感器，獲得不同時(shí)刻操作者與行李箱之間的系列位移值，并將此系列位移值S1與固定時(shí)間值Δt1作比，從而獲得操作者的行駛速度。將其作為行李箱的目標(biāo)直線速度，同時(shí)采用同步驅(qū)動(dòng)，根據(jù)式（1）可計(jì)算左驅(qū)動(dòng)輪和右驅(qū)動(dòng)輪的目標(biāo)直線轉(zhuǎn)速n1：

式中：n1為目標(biāo)直線轉(zhuǎn)速;S1為前進(jìn)模式下操作者與行李箱之間的系列位移值;Δt1為前進(jìn)模式下時(shí)間段;R為車輪半徑。

將目標(biāo)直線轉(zhuǎn)速與左驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速編碼器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速作差，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，通過(guò)PWM信號(hào)輸出給左驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，帶動(dòng)左驅(qū)動(dòng)輪;將目標(biāo)直線轉(zhuǎn)速與右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速作差，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，通過(guò)PWM信號(hào)輸出給右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，帶動(dòng)右驅(qū)動(dòng)輪。從而左、右驅(qū)動(dòng)輪形成同步反饋控制。

（2）自動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制模塊。同樣根據(jù)轉(zhuǎn)彎信號(hào)的紅外傳感器，獲得不同時(shí)刻操作者與行李箱之間的系列位移值S2，并將此系列位移值與固定時(shí)間值Δt2作比，從而獲得操作者的轉(zhuǎn)彎信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)式（2）將轉(zhuǎn)彎信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為目標(biāo)轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)速n2：

式中：n2為左驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)或右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的檢測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速;S2為轉(zhuǎn)彎模式下操作者與行李箱之間的系列位移值;Δt2為轉(zhuǎn)彎模式下時(shí)間段。

若進(jìn)入左轉(zhuǎn)彎模式，控制器向左驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)輸入停止信號(hào)，左驅(qū)動(dòng)輪被迫停止，并將目標(biāo)轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)速n2與右驅(qū)動(dòng)輪編碼器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速作差。經(jīng)過(guò)專家PID運(yùn)算后，通過(guò)PWM信號(hào)輸出給右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，帶動(dòng)右驅(qū)動(dòng)輪。因此，左驅(qū)動(dòng)輪停止，右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成差速左轉(zhuǎn)向，完成左轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。進(jìn)入右轉(zhuǎn)彎模式原理與進(jìn)入左轉(zhuǎn)彎模式相同，所不同的是右驅(qū)動(dòng)輪停止，左驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成差速右轉(zhuǎn)向，完成右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)自動(dòng)跟隨行李箱的功能需求進(jìn)行分析后，對(duì)行李箱的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間自適應(yīng)變化、驅(qū)動(dòng)輪自動(dòng)收縮、拉桿自動(dòng)彈出等多種功能。根據(jù)自動(dòng)跟隨行李箱的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，選用Arduino單片機(jī)、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器等相關(guān)元器件，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)控制要求，對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)各個(gè)子模塊進(jìn)行了軟件程序編寫。最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟隨行李箱的整體設(shè)計(jì)，從而為后續(xù)樣機(jī)制作及試驗(yàn)調(diào)試提供了有力保障。

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