基于Arduino的多功能自動跟隨行李箱設計

彭秋潔 劉凱磊 康紹鵬 向承金 劉佳帥 況明鑫 王海斌

摘 要：根據消費者對跟隨式行李箱的功能需求，分析了行李箱需要實現的功能有內部空間自適應變化、驅動輪自動收縮、拉桿自動彈出等，進而利用三維建模軟件Solidworks對自動跟隨行李箱的結構進行了設計。根據自動跟隨行李箱的結構組成與工作原理，選用了Arduino單片機、電動推桿驅動器、電機驅動器、傳感器等相關元器件，對控制系統的硬件進行設計。根據控制要求，對控制系統的軟件進行了設計，并根據各個子模塊進行了軟件程序編寫，最終實現了自動跟隨行李箱的整體設計。從而為后續樣機制作及試驗調試提供了有力保障。

關鍵詞：自動跟隨;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，消費者對行李箱的需求也呈現出多樣化的傾向，過去比較單一的使用方式已經不能滿足人們的需求。

為了緩解旅客在拖拉行李箱時造成的疲勞，市場上出現了智能跟隨式行李箱，許多學者對其進行了相關研究。文獻[1-5]分別從優化設計、跟隨系統、控制系統、傳輸系統等方面進行研究，取得了一定成果。然而，目前的跟隨式行李箱相比傳統行李箱由于增加了驅動系統、控制系統等，無疑減小了使用空間，增加了產品重量。這就使得跟隨式行李箱的功能需要進一步完善，使其滿足消費者的需求。

隨著控制技術[6]、監控系統[7]、定位技術[8]等電子技術的飛速發展，尤其是結構簡單、功能強大的Arduino開源單片機的發展[9]，為跟隨式行李箱的智能化設計提供了新的思路。因此，本文將對自動跟隨行李箱的功能需求進行分析，并對行李箱的總體結構進行設計，使其滿足相應的功能。根據自動跟隨行李箱的結構特點，選用Arduino單片機作為主控制器，并采用相關元器件對行李箱控制系統的硬件和軟件進行設計，從而完成自動跟隨行李箱的整體設計。

1 自動跟隨行李箱總體結構設計

1.1 功能需求分析

目前，自動跟隨式行李箱由于采用了驅動機構和相關的電控元件，縮小了內部的使用空間。消費者行李較少時，需要的空間小，而行李較多時，需要更大的空間用以裝載更多物品。因此，實現行李箱內部空間自動變化是一重要的功能需求。自動跟隨式行李箱在運動過程中，尤其是在樓梯、電梯、人多、粗糙路面等不適宜“自動跟隨”的場合，需要將驅動輪自動收縮，從而完成自動/手動切換;另外，行李箱的拉桿需要人力拉出，其自動化、智能化水平受到了一定限制。通過對自動跟隨行李箱的功能需求進行分析可知，本設計需要實現的功能有內部空間自適應變化、自動/手動自由切換、拉桿自動彈出等。

1.2 結構組成及工作原理

利用三維建模軟件Solidworks對多功能自動跟隨式行李箱的結構進行設計。如圖1所示為自動跟隨行李箱的總體結構三維示意圖，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、萬向輪等;此外，在行李箱本體上端的四個面裝有四個紅外傳感器，通過四個紅外傳感器可以檢測操作者的操作狀態。

內部空間自適應變化結構示意圖如圖2所示。將行李箱本體分為上箱體和下箱體兩個部分，上箱體的外形呈U字型，并內嵌于下箱體，利用兩個空間電動推桿將上箱體和下箱體連接，根據實時需求，驅動電動推桿的伸縮可以實現上箱體在下箱體內部滑動，從而實現箱體內部使用空間的自適應變化。另外，在上箱體和下箱體上利用合頁設計了可以隨之活動的上箱門和下箱門，上箱門同樣內嵌于下箱門，并且可以同時打開和關閉。

驅動輪自動收縮結構示意圖如圖3所示。利用兩個驅動電機分別帶動兩個驅動輪進行驅動，驅動電機通過安裝支架固定于活動板上，活動板和行李箱的底部通過收縮電動推桿連接。因此，驅動輪可以通過收縮電動推桿的伸出與縮回實現其在行李箱的底部上下移動。

拉桿自動彈出結構示意圖如圖4所示。筆式電動推桿的一端固定于上箱體，另一端通過銷軸與拉桿的底端相連，拉桿在上箱體內通過筆式電動推桿的伸出與收縮可以實現自動彈出與復位功能。

2 控制系統硬件設計

根據自動跟隨式行李箱的機械結構組成和工作原理，對控制系統的硬件進行設計，其結構框圖如圖5所示。采用Arduino UNO R3作為主控制器，通過電機驅動器分別控制兩個直流電機，并通過編碼器將轉速反饋給控制器，從而實現驅動輪的閉環反饋控制;同時，通過電動推桿驅動器分別控制空間電動推桿、收縮電動推桿和筆式電動推桿，并通過行程開關進行反饋控制。另外，在行李箱上配備報警裝置、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網絡通信接口等。整個硬件系統的電源模塊采用鋰電池進行供電，并配備5 V/1 A、24 V/10 A的電源接口。

3 控制系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

在對控制系統的硬件設計完成以后，需要對控制系統的軟件進行設計，并編寫相應程序，方可完成指定功能。控制系統的程序流程圖如圖6所示。其主要流程如下。

（1）程序初始化。

（2）數據采集，包括所有傳感器信號、操作按鈕、4G網絡通信接口信號等，如有異常，則利用報警裝置進行報警。

（3）判斷是否為遙控狀態，如果為遙控狀態，則可以通過遙控器完成空間自適應變化、拉桿自動彈出、驅動輪自動收縮、遙控驅動等功能;如果為自動狀態，則進入到自動模式。

（4）進入自動模式后，首先判斷前方是否有障礙物，如果有障礙物，則停止運行;如果沒有障礙物則進入自動跟隨運行模式。通過紅外傳感器檢測操作者是直行還是轉彎，如果是直行，則進入直行狀態;如果是轉彎，則進入轉彎狀態。

3.2 軟件程序設計

根據控制系統程序流程圖及控制要求，采用與Arduino UNO R3單片機開發板對應的Arduino IDE 編程軟件進行編程，編程界面如圖7所示。軟件編程分別編寫遙控器控制模塊、自動跟隨運行模塊、空間自適應變化模塊、拉桿自動彈出模塊、驅動自動收縮模塊和遙控驅動模塊等。

3.3 自動跟隨運行模塊設計

在軟件程序設計過程中，自動跟隨運行模塊由于用到了閉環反饋控制，相對較難，本文主要詳述此模塊。圖8為驅動輪自動跟隨運行控制原理方框圖。從圖中可以看出，其分為自動跟隨前進控制模塊和自動轉彎控制模塊。

（1）自動跟隨前進控制模塊。根據帶測距功能的紅外傳感器，獲得不同時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直線速度，同時采用同步驅動，根據式（1）可計算左驅動輪和右驅動輪的目標直線轉速n1：

式中：n1為目標直線轉速;S1為前進模式下操作者與行李箱之間的系列位移值;Δt1為前進模式下時間段;R為車輪半徑。

將目標直線轉速與左驅動輪轉速編碼器檢測到的實際轉速作差，經過PID運算后，通過PWM信號輸出給左驅動輪電機，帶動左驅動輪;將目標直線轉速與右驅動輪轉速傳感器檢測到的實際轉速作差，經過PID運算后，通過PWM信號輸出給右驅動輪電機，帶動右驅動輪。從而左、右驅動輪形成同步反饋控制。

（2）自動轉彎控制模塊。同樣根據轉彎信號的紅外傳感器，獲得不同時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間值Δt2作比，從而獲得操作者的轉彎信號強度，根據式（2）將轉彎信號強度轉換為目標轉彎轉速n2：

式中：n2為左驅動輪電機或右驅動輪電機的檢測目標轉速;S2為轉彎模式下操作者與行李箱之間的系列位移值;Δt2為轉彎模式下時間段。

若進入左轉彎模式，控制器向左驅動輪電機輸入停止信號，左驅動輪被迫停止，并將目標轉彎轉速n2與右驅動輪編碼器檢測到的實際轉速作差。經過專家PID運算后，通過PWM信號輸出給右驅動輪電機，帶動右驅動輪。因此，左驅動輪停止，右驅動輪轉動，形成差速左轉向，完成左轉彎動作。進入右轉彎模式原理與進入左轉彎模式相同，所不同的是右驅動輪停止，左驅動輪轉動，形成差速右轉向，完成右轉彎動作。

4 結 語

在對自動跟隨行李箱的功能需求進行分析后，對行李箱的總體結構進行了設計，使其可以實現內部空間自適應變化、驅動輪自動收縮、拉桿自動彈出等多種功能。根據自動跟隨行李箱的結構組成與工作原理，選用Arduino單片機、電動推桿驅動器、電機驅動器、傳感器等相關元器件，對控制系統的硬件進行了設計。根據控制要求，對控制系統的軟件進行了設計，并根據各個子模塊進行了軟件程序編寫。最終實現了自動跟隨行李箱的整體設計，從而為后續樣機制作及試驗調試提供了有力保障。

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