李塍飛，傅鈺惠

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

1.引言

為了使人們出行更加方便，我們對(duì)市面上的智能行李箱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能行李箱的助力爬樓功能，讓人們的出行更加方便，讓行李箱更容易通過一些較為難搬運(yùn)的地方。我們利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)啟動(dòng)的原理，讓行李箱碰到障礙物時(shí)三角輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行爬樓梯，越過障礙物等操作。同時(shí)在板的側(cè)面我們采用SC-HR04 通過檢測(cè)前端障礙物是否在感測(cè)器10 cm 處，來(lái)判斷人的腿是在向前加速移動(dòng)還是減速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行李箱的精準(zhǔn)助力。

2.智能行李箱的工作原理

圖1 智能行李箱助力板的總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)我們采用分體式設(shè)計(jì)，即將小車放在行李箱下面，可以對(duì)市面上不同型號(hào)的行李箱進(jìn)行適配，通過繩索與收縮結(jié)構(gòu)對(duì)行李箱進(jìn)行收緊，實(shí)現(xiàn)行李箱與板的結(jié)合，同時(shí)在前端三角輪處加裝有感無(wú)刷電機(jī)，將前方三角輪遇到障礙時(shí)電機(jī)獲得的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，判斷是上樓還是下樓。再通過ULN2330AN 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)與力矩傳輸。

圖2 板底部對(duì)行李箱夾緊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)采用梁板分開通過兩個(gè)支撐桿和一個(gè)在螺母的旋轉(zhuǎn)桿，將兩個(gè)分離的板進(jìn)行固定。同時(shí)利用四周鋼絲繩的拉力將行李箱的四個(gè)輪子卡在四個(gè)繩索出完成對(duì)四個(gè)行李箱滑輪的固定。通過旋轉(zhuǎn)前方的旋鈕，實(shí)現(xiàn)助力板的收緊，使用靜摩擦力，采用力鎖效應(yīng)對(duì)行李箱進(jìn)行固定完成機(jī)械緊固。

而車在直線行駛中的助力是用超聲波傳感器來(lái)獲得的信號(hào)通過處理實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器波形的控制達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)通狀態(tài)的目的實(shí)現(xiàn)助力板的功能的實(shí)現(xiàn)。

在前端利用SC-HR04 每8 ms 進(jìn)行一次距離檢測(cè)，檢測(cè)行李箱左右側(cè)10 cm 處有沒有人腿從旁邊走過實(shí)現(xiàn)行李箱的助力啟動(dòng)信號(hào)的判斷。實(shí)現(xiàn)信號(hào)的辨別和輸入。

在使用過程中，助力的實(shí)現(xiàn)是由板的前方的超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距然后實(shí)時(shí)傳遞到單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器濾波放大后輸入給電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

圖3 系統(tǒng)的流程圖

采用單片機(jī)讀取超聲波傳感器的信號(hào)來(lái)完成對(duì)人行走狀態(tài)的判定，利用卡爾曼濾波清除噪聲信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響，輸出準(zhǔn)確的控制信號(hào)。根據(jù)不同的狀態(tài)輸出對(duì)應(yīng)的波形來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的測(cè)量。

采用四個(gè)SC-HR04 分別安在小車的前后左右，讓其完成人在中間的動(dòng)作提取。人每次掃過靠近傳感器8 cm 處會(huì)給單片機(jī)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓單片機(jī)進(jìn)行一次記錄在40 ms 內(nèi)，同時(shí)每一次人的行為會(huì)與上一個(gè)周期即40 ms 以及的記錄周期。進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)使用濾波后的數(shù)據(jù)判斷人的移動(dòng)速度，人的加速度量，從而根據(jù)人的行為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，通過對(duì)控制系統(tǒng)的仿真，輸出波形的控制與調(diào)整，完成對(duì)功率器件例如無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。

在電路中會(huì)加入一些附屬電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取，例如加速傳感器，壓力傳感器，電磁傳感器。

在上下樓助力中采用三角輪驅(qū)動(dòng)由有感無(wú)刷電機(jī)傳回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行判斷是上樓還是下樓。我們利用角度的周期性測(cè)量來(lái)完成對(duì)障礙物的判斷，當(dāng)前方三角輪與樓梯，巖石等接觸并施加相同方向的力矩，讓行李箱利用三角輪在樓梯上面勻速前進(jìn)。利用負(fù)反饋的方式來(lái)保證在不同重量下行李箱在前方的行駛方向上始終保持在安全的角度來(lái)完成行李箱的上樓與下樓的助力功能。

3.主要技術(shù)實(shí)踐

在對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)中采用MATLAB 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖4 GTO組成的單相半波整流仿真

在MATLAB 中可以實(shí)現(xiàn)可關(guān)斷晶閘管被正的門級(jí)信號(hào)觸發(fā)進(jìn)而導(dǎo)通。與普通晶閘管不同的是普通晶閘管被正門極信號(hào)導(dǎo)通后，只有等到陽(yáng)極電流為0 時(shí)才關(guān)斷；而GTO 通過在門極施加一個(gè)等于0 的門極信號(hào)就可以將其關(guān)斷。GTO 的仿真模型也是由一個(gè)電阻Ron,一個(gè)電感Lon一個(gè)直流電源Vf和一個(gè)開關(guān)串聯(lián)而成，該開關(guān)受邏輯信號(hào)控制，該邏輯信號(hào)又由GTO的電壓Vak、電流Iak和門極觸發(fā)信號(hào)g 決定。GTO 的模塊還包括一個(gè)串聯(lián)緩沖電路，它通常與GTO 并聯(lián)，其端子與晶閘管相同。在仿真中采用220V 高負(fù)載器件進(jìn)行模擬對(duì)功率器件的高電壓模擬，進(jìn)行高壓器件的功耗，設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。

仿真波形依次為晶閘管觸發(fā)脈沖Pluse，晶閘管電流Iak。晶閘管電壓Vak，負(fù)載電壓Vload負(fù)載電流Iload，電源電壓Vs。當(dāng)觸發(fā)脈沖為正時(shí)，GTO 導(dǎo)通，負(fù)載有電流流過，當(dāng)脈沖觸發(fā)為負(fù)時(shí)，GTO 關(guān)斷，負(fù)載電流為0。

利用卡爾曼濾波法對(duì)人腿觸發(fā)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，嘈雜的輸入信號(hào)通過濾波可以得到人的移動(dòng)確定的狀態(tài)量，經(jīng)過MCU 給電機(jī)發(fā)出加速還是減速的指令，決定了電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)。從復(fù)雜變化的人的腿部出發(fā)傳感器的頻率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到最佳的加速度預(yù)測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制量ut的解。

其中輸出變量為輸入變量的為線性組合因此可以寫成矩陣模式。因此可以采用線性濾波的方式將超聲波傳感器提取的帶噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過濾，轉(zhuǎn)換為有用的可以計(jì)算的控制信號(hào)Ut，通過Ut對(duì)加速度進(jìn)行改變從而實(shí)現(xiàn)對(duì)板的空間位置的調(diào)節(jié)，通過加速度對(duì)人的位置預(yù)測(cè)，計(jì)算板對(duì)應(yīng)的加速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)板的精準(zhǔn)控制，并確定其完成時(shí)間控制在20 ms 以內(nèi)。

其矩陣方程為

由此可知其狀態(tài)預(yù)知公式為

利用此公式可以準(zhǔn)確地得出Pt與ut的狀態(tài)得出小車當(dāng)前運(yùn)行的加速度，速度與方向。

利用卡爾曼濾波進(jìn)行對(duì)人腿掃過數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后多次讀取的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)仿真可知，前幾次的信號(hào)讀取噪聲較大，直到人的腿部動(dòng)作的信號(hào)確定后對(duì)噪聲逐步達(dá)到穩(wěn)定。其加速度量逐漸確定區(qū)域穩(wěn)定。

圖5 卡爾曼濾波后噪聲消除

卡爾曼濾波后得到精準(zhǔn)的控制信號(hào)，完成超聲波傳感器的有效數(shù)值的提取。該圖可以看到前幾次的數(shù)據(jù)讀取并不確定超聲波信號(hào)讀取的人腿的位置是否在10 cm 以內(nèi)但是經(jīng)過濾波后，很快有效信號(hào)的提取非常穩(wěn)定完全達(dá)到實(shí)用的水平。

采用超聲波傳感器確定人腿的動(dòng)作，再通過數(shù)據(jù)比對(duì)進(jìn)行判斷當(dāng)下人的動(dòng)作是加速還是減速，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的加速助力，而上下樓時(shí)用前端的三角輪中的有感無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行判斷上樓還是下樓實(shí)現(xiàn)上下樓的助力。其助力動(dòng)作十分迅速，具備系統(tǒng)應(yīng)有的便捷性、速動(dòng)性、靈敏性，極大地實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)完成復(fù)雜的功能。其表現(xiàn)效果與實(shí)際使用效果超過市面上大部分的助力、跟隨小車。

4.結(jié)語(yǔ)

通過proteus 對(duì)電路進(jìn)行仿真后可以實(shí)現(xiàn)傳感器的精確感測(cè)，能在前方在人向前走時(shí)腿部掃過超聲波傳感器時(shí)，8 ms 的延遲可以很好地捕捉人腿部的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)小車的助力功能，而前端進(jìn)行上下樓助力效果顯著，延遲較市面上的藍(lán)牙模塊跟隨模式更低，對(duì)市面上采用傳感器進(jìn)行跟隨的產(chǎn)品其人機(jī)交互更加符合人的使用習(xí)慣，采用實(shí)用性更強(qiáng)、價(jià)格更低廉的方案實(shí)現(xiàn)跟隨、助力的功能，并使用濾波算法對(duì)人的移動(dòng)動(dòng)作精確捕捉，讓人們使用起來(lái)更加方便。