一種多形態(tài)實(shí)用型智能運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

丁應(yīng)允 崔月霞

摘 要 隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量提出了越來越高的要求。雖然智能出行、智能運(yùn)輸為人們提供了極大的便利，但是適合民用、家用的智能運(yùn)輸車卻鮮少出現(xiàn)。本文以物美價(jià)廉、實(shí)用便捷等特點(diǎn)為產(chǎn)品定位，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、軟硬件應(yīng)用和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行交叉跨學(xué)科研究，設(shè)計(jì)出了一款多形態(tài)實(shí)用型智能運(yùn)輸車，對(duì)智能運(yùn)輸車在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域發(fā)展具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 智能運(yùn)輸 智能搬運(yùn) 多形態(tài) 自動(dòng)跟隨

中圖分類號(hào)：F5;TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）01-0001-03

1 智能運(yùn)輸車介紹

1.1 智能運(yùn)輸車概述

本文設(shè)計(jì)的智能運(yùn)輸車的定位是價(jià)格便宜、功能實(shí)用、支持家庭和企事業(yè)單位購(gòu)買、可折疊、多形態(tài)滿足多用途等特點(diǎn)，因此這款智能運(yùn)輸車外觀支持全折疊、半展開和全展開三種形態(tài)，滿足用戶搬運(yùn)不同體積的重物需求;智能運(yùn)輸車具有自動(dòng)跟隨模式和手動(dòng)遙控兩種模式，智能車行走過程中具有自主避障和物品防跌落的功能。同時(shí)，智能運(yùn)輸車支持在手機(jī)APP上操控使用，具有較高的智能化和便利性。

1.2 智能運(yùn)輸車功能

1.2.1 一鍵折疊功能

智能運(yùn)輸車主要面向家庭、封閉管理的園區(qū)和機(jī)構(gòu)的購(gòu)買，因此外觀需要考慮可折疊、輕便、體積小，并且成本低、滿足多用途等特性。所以，智能運(yùn)輸車在設(shè)計(jì)時(shí)有三種形態(tài)：全折疊狀態(tài)、半展開狀態(tài)和全展開狀態(tài)。全折疊狀態(tài)在不使用時(shí)，是一塊平板，方便放置;半展開狀態(tài)類似平板手推車形態(tài)，可以放置超過平板面積的物品進(jìn)行搬運(yùn);全展開狀態(tài)是四壁柵欄自動(dòng)彈起，類似帶蓋超市購(gòu)物車形態(tài)，可以放置大量的小件物品進(jìn)行搬運(yùn)。這三種形態(tài)滿足了智能運(yùn)輸車的多用途。

1.2.2 自動(dòng)跟隨模式

用戶在手機(jī)藍(lán)牙開啟狀態(tài)下，可以使用智能運(yùn)輸車的自動(dòng)跟隨功能。用戶在手機(jī)APP的智能遙控器頁面打開自動(dòng)跟隨按鈕，智能車會(huì)運(yùn)載貨物自動(dòng)跟隨手機(jī)藍(lán)牙信號(hào)自主行走。智能車會(huì)自動(dòng)與用戶手機(jī)信號(hào)保持半徑一米的范圍內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致運(yùn)輸車超出信號(hào)一米范圍外的時(shí)候，會(huì)通過APP發(fā)出震動(dòng)提醒用戶。

在自動(dòng)跟隨行走過程中，通過防跌落傳感器和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)重量檢查與自動(dòng)避障功能。在行走過程中，如果有人拿走貨物導(dǎo)致重量發(fā)生變化，都會(huì)觸發(fā)運(yùn)輸車報(bào)警裝置，發(fā)出報(bào)警聲響，同時(shí)手機(jī)震動(dòng)提示用戶。運(yùn)輸車在行走過程中，遇到各種垃圾箱、灌木叢或者座椅、公交站等障礙物，都會(huì)轉(zhuǎn)向從而自動(dòng)避障。

關(guān)閉自動(dòng)跟隨功能，則運(yùn)輸車停止自動(dòng)行走，停止在原地，各種傳感器停止工作，此時(shí)用戶可以取走貨物而不會(huì)觸發(fā)警報(bào)。

1.2.3 手動(dòng)遙控模式

除了自動(dòng)跟隨模式外，智能車還具有手動(dòng)遙控的功能，從而應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地形情況。例如地面凹凸不平、彎道較多、道路較窄等復(fù)雜地形，或者人流較多容易發(fā)生意外的情況下，建議優(yōu)先使用手動(dòng)遙控模式。這時(shí)，需要讓智能車在人的前方行走，用戶通過手動(dòng)遙控可以控制運(yùn)輸車的方向、速度，來緊急避險(xiǎn)，同時(shí)極大地增加了可玩性和趣味性。

在開啟自動(dòng)跟隨情況下，手動(dòng)遙控模式的優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)跟隨模式，智能車會(huì)自動(dòng)切換為接受手動(dòng)遙控，手動(dòng)遙控器釋放后默認(rèn)的是自動(dòng)跟隨模式。

1.3 智能運(yùn)輸車的意義

多形態(tài)外觀設(shè)計(jì)，滿足運(yùn)輸多用途。多形態(tài)智能運(yùn)輸車，價(jià)格親民，功能實(shí)用，并且可一鍵折疊，適合個(gè)人日常購(gòu)買時(shí)使用。

人車云三端互聯(lián)，升級(jí)用戶新體驗(yàn)。用戶只需通過手機(jī)APP綁定已購(gòu)買的智能運(yùn)輸車，便可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨等功能，同時(shí)會(huì)將行程記錄在云端。通過手機(jī)端、云端和智能車端三端互通互聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)了“人-車-云”的高度協(xié)同作業(yè)，打造用戶智能互聯(lián)新體驗(yàn)。

創(chuàng)新消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，打破企業(yè)專用壁壘。市場(chǎng)上現(xiàn)有的AGV搬運(yùn)車，有些需要場(chǎng)地改造，有些系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不符合民用領(lǐng)域的運(yùn)輸需求。本智能運(yùn)輸車結(jié)合機(jī)械、軟硬件和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等交叉跨學(xué)科研究，設(shè)計(jì)出可供家用民用的新型智能運(yùn)輸車，創(chuàng)新了智能運(yùn)輸車在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 智能運(yùn)輸車設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的智能運(yùn)輸車是一款可結(jié)合手機(jī)APP進(jìn)行操控的，集自動(dòng)跟隨、自主避障、手動(dòng)遙控等功能于一體的智能運(yùn)輸車。產(chǎn)品針對(duì)用戶不同場(chǎng)景下的實(shí)際需求，提出了多形態(tài)、多功能滿足多用途的實(shí)用型智能運(yùn)輸車。本文分別從產(chǎn)品外觀、智能軟硬件、APP設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1 外觀設(shè)計(jì)

智能運(yùn)輸車主要面向家庭和個(gè)人購(gòu)買，因此外觀需要可折疊、占地小、易攜帶等特點(diǎn)。所以產(chǎn)品外觀在設(shè)計(jì)時(shí)有三種形態(tài)：全折疊形態(tài)、半展開形態(tài)和全展開形態(tài)。全折疊形態(tài)：在不使用時(shí)是長(zhǎng)60cm、寬30cm、高10cm的板子形態(tài)，占地空間較小，方便放置。底部板箱采用HDPE（高密度聚乙烯）材料，比玻璃鋼材質(zhì)價(jià)格便宜，也更輕便。底部板箱內(nèi)包含了智能電路板、鋰電池、傳感器等，按下黃色電源按鈕，在APP上設(shè)置出行模式，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨。

半展開形態(tài)：拉起扶手，近似平板手推車形態(tài)，四面柵欄呈收縮狀態(tài)嵌入在底板的四條臥軌里。扶手側(cè)的活動(dòng)式圍欄豎立并通過旋轉(zhuǎn)鉤扣固定在扶手側(cè)，防止行駛過程中箱子在慣性作用下向前滑落。這種形態(tài)下，可以放置超過底板面積的物品進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)。在APP上設(shè)置出行模式即可自主行走。此時(shí)扶手頂部距離地面的高度是86cm，在電量耗盡的情況下，還可以拉著運(yùn)輸車行走。

全展開形態(tài)：按下智能車底部的綠色推桿按鈕，智能車的電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電動(dòng)推桿，四壁柵欄從臥軌彈起，近似超市購(gòu)物車形態(tài)，可以放置大量的小件物品進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)。同時(shí)，可以擰開在扶手側(cè)的鉤扣，扶手側(cè)的活動(dòng)式圍欄落下作為車體的蓋子，旋轉(zhuǎn)鉤扣并扣住車身。這種形態(tài)下，可以防止小件物品在運(yùn)輸過程掉落和被人拿走，保障物品的運(yùn)輸安全，用戶在APP上設(shè)置出行模式，即可自主行走。此時(shí)扶手頂部距離地面的高度是116cm，在電量耗盡的情況下，還可以推著運(yùn)輸車行走。

智能運(yùn)輸車的這三種形態(tài)轉(zhuǎn)換，也是非常簡(jiǎn)單的。全折疊和半展開形態(tài)變換，只需要手動(dòng)拉起扶手即可。半展開和全展開狀態(tài)的變換是通過智能車底部的一個(gè)物理按鈕完成。只需按動(dòng)按鈕，底板上的四面柵欄就會(huì)緩慢彈出，并且有活動(dòng)式車蓋保障物品運(yùn)輸安全。

2.2 軟硬件設(shè)計(jì)

硬件方面主要使用Arduino UNO R3作為主控制器，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，并通過編碼器將轉(zhuǎn)速反饋給控制器[1];在智能車上還包括電子羅盤、超聲波傳感器、重量傳感器作為輸入裝置，并配備報(bào)警裝置;整個(gè)智能車硬件系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，并配備12V/5A的電源接口;手機(jī)APP和智能車通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，保障自動(dòng)跟隨功能和手動(dòng)遙控功能的使用（硬件設(shè)計(jì)如圖1所示）。

軟件編程方面采用與Arduino UNO R3開發(fā)板對(duì)應(yīng)的Arduino IDE編程軟件進(jìn)行編程。軟件編程包括編寫自動(dòng)跟隨模塊、手動(dòng)遙控模塊、自動(dòng)避障模塊和防跌落模塊等。

2.2.1 自動(dòng)跟隨模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟隨模塊是由自動(dòng)跟隨前進(jìn)控制功能和自動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制功能兩部分共同實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)跟隨前進(jìn)控制模塊是通過藍(lán)牙RSSI測(cè)距算法實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制模塊是通過電子羅盤方位矯正算法實(shí)現(xiàn)。

用戶打開手機(jī)藍(lán)牙和智能車藍(lán)牙配對(duì)成功后，智能車APP會(huì)將手機(jī)藍(lán)牙作為從藍(lán)牙設(shè)備，智能車作為主藍(lán)牙設(shè)備，控制器每隔10ms會(huì)獲取從藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，如果RSSI的值越來越小，則藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度越來越弱，那么智能車距離手機(jī)端越來越遠(yuǎn)，說明智能車速度過慢，此時(shí)控制器會(huì)逐步增加智能車速度[2];相反，如果RSSI值越來越大，則藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度越來越強(qiáng)，說明智能車離手機(jī)端距離越來越近，即智能車速度過快，此時(shí)控制器會(huì)降低智能車速度。如果使智能車和手機(jī)端保持1米左右的距離形式，那么只需要藍(lán)牙RSSI差值保持一個(gè)穩(wěn)定值，由此便可實(shí)現(xiàn)智能車的自動(dòng)跟隨前進(jìn)控制功能。

智能車在行駛過程中，手機(jī)端會(huì)將自身的電子羅盤方位信息通過藍(lán)牙發(fā)送給智能車，智能車的藍(lán)牙模塊接收到手機(jī)的方位信息后，與車身攜帶的電子羅盤方位信息比較，再通過PID調(diào)節(jié)器處理，然后根據(jù)比較結(jié)果計(jì)算轉(zhuǎn)向的角度，控制器根據(jù)角度控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。如果是左轉(zhuǎn)彎，則控制左驅(qū)動(dòng)輪減速或停止，右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成差速左轉(zhuǎn)向，完成智能車左轉(zhuǎn)彎;同理，如果是右轉(zhuǎn)彎，則控制右驅(qū)動(dòng)輪減速或停止，左驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成差速由轉(zhuǎn)向，完成智能車右轉(zhuǎn)彎，由此便可實(shí)現(xiàn)智能車的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎控制功能。

2.2.2 手動(dòng)遙控模塊設(shè)計(jì)

手動(dòng)遙控就是智能車根據(jù)手機(jī)遙控指令行走。手機(jī)APP的遙控信號(hào)可以通過藍(lán)牙通信傳輸?shù)街悄苘嚨氖謾C(jī)遙控模塊。在手動(dòng)遙控模式下，手機(jī)APP發(fā)送前進(jìn)指令，則智能車前進(jìn)行駛;手機(jī)APP發(fā)送后退指令，則智能車后退行駛;手機(jī)APP發(fā)送左轉(zhuǎn)彎指令，則智能車左轉(zhuǎn)彎;手機(jī)APP發(fā)送右轉(zhuǎn)彎指令，則智能車右轉(zhuǎn)彎。在手動(dòng)遙控模式下，智能車默認(rèn)聽從手動(dòng)遙控的全部指令，不再具有自動(dòng)跟隨和自主避障功能[3]。

2.3 App設(shè)計(jì)

智能運(yùn)輸車商業(yè)運(yùn)營(yíng)兼容零售和共享兩種運(yùn)營(yíng)模式。因此智能運(yùn)輸車APP的首頁設(shè)計(jì)有智能出行、掃碼使用、智遷商城和我的主頁四個(gè)導(dǎo)航欄。

其中，智能出行頁面是給購(gòu)買用戶使用的。進(jìn)入智能出行頁面，可以看到已綁定的購(gòu)買智能車的列表，選擇智能車點(diǎn)擊進(jìn)入，則可以看到智遷遙控頁面，在該頁面可以設(shè)置智能車出行模式。掃碼使用頁面是提供給大眾出行時(shí)共享使用的，在共享站點(diǎn)掃描智能車電子屏的二維碼，則可以進(jìn)入遙控頁面設(shè)置智能車出行模式。智遷商城是用戶購(gòu)買智能運(yùn)輸車的電子商城。我的主頁是用戶的購(gòu)買記錄、出行記錄和錢包的信息。智遷出行APP設(shè)計(jì)兼容了用戶對(duì)購(gòu)買和共享使用的需求，APP頁面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約美觀，用戶使用操作更簡(jiǎn)單方便。

3 結(jié)論

這款智能運(yùn)輸車涉及到外觀、智能軟硬件、APP設(shè)計(jì)和商業(yè)模式的多處創(chuàng)新，滿足運(yùn)輸多用途、人車云三端互聯(lián)，升級(jí)用戶新體驗(yàn)、創(chuàng)新消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，打破企業(yè)專用壁壘，可為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市化進(jìn)程不可缺少的力量。

參考文獻(xiàn)：

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