西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 李京昊 鐵一凡 孫浩瑜 胡嘉慧 呂鑫洋

本項目是對傳統(tǒng)只有推拉功能的旅行箱存在的不方便以及安全問題進(jìn)行改善，自跟隨旅行箱可實現(xiàn)自動跟隨、短距離報警、指紋開鎖，實時測重等基本功能，極大程度方便了人們的使用，為人們解決了旅途中關(guān)于旅行箱的煩惱。隨著嵌入式控制技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，自動控制的機(jī)器已經(jīng)滲透到了生活中的各個方面。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了具有定位功能的智能旅行箱，這種旅行箱結(jié)合相對應(yīng)的軟件可以提供基于位置服務(wù)的防盜、丟失尋找等功能，但這種智能旅行箱功能較為單一。而自動跟隨、智能防丟的旅行箱在市場上很少，且價格高昂、局限性多?；趥鹘y(tǒng)的只有推拉功能的旅行箱，本文設(shè)計的自跟隨旅行箱可以實現(xiàn)自動跟隨、短距離報警、定位追尋、指紋開鎖、實時測重、箱體可拆卸等基本功能。

1 系統(tǒng)總設(shè)計

在整個系統(tǒng)的控制上，使用處理速度更強(qiáng)、硬件資源更豐富的Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片。Cortex-M4內(nèi)核的芯片使用ARM架構(gòu)，該架構(gòu)設(shè)計的合理性使微控制器的功能非常強(qiáng)大同時還可以滿足功耗低的要求，在供電上STM32微控制器只需要5V電源便可以進(jìn)行驅(qū)動，使用非常方便。在程序編寫上，STM32可以使用我們最熟悉的C語言，對于本項目來說Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片是最好的選擇。在本項目中使用到的功能有I/O口復(fù)用、IIC通訊、PWM波的輸出、串口通訊、定時器中斷、外部中斷、定時器等，這些功能的正確使用必須基于對于STM32系列微控制器的熟練掌握。

本項目的主要目的是解決旅行箱使用者在旅途中碰到的各種問題。例如：旅行者推拉過程中由于旅行箱太重導(dǎo)致的問題、旅行者和旅行箱的距離過遠(yuǎn)存在的安全問題、旅行者不幸丟失行李箱后難尋回等問題，而自跟隨智能旅行箱可以結(jié)合各種模塊，完成在不同場景下解決旅行者出行過程中的各種問題。

2 主要硬件設(shè)計

2.1 硬件總體布局

本系統(tǒng)以自跟隨智能旅行箱為研究對象，該自跟隨智能旅行箱使用了以STM32 Cortex-M4為內(nèi)核的主控芯片，其中包含電機(jī)驅(qū)動模塊、短距離測距模塊、GPS定位模塊、指紋識別模塊、語音播放模塊、稱重模塊等模塊構(gòu)成了一個完整的自跟隨智能旅行箱系統(tǒng)，具體硬件系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖1所示。

本系統(tǒng)為了實現(xiàn)自跟隨系統(tǒng)以及測重系統(tǒng)采用箱體可拆卸的模式，即分別制作旅行箱底座和箱體。本系統(tǒng)將不同模塊分別安裝在底座和箱體上來共同完成自跟隨智能旅行箱的不同的基礎(chǔ)功能。該系統(tǒng)中最重要功能是實現(xiàn)自跟隨系統(tǒng)，本項目通過使用短距離測距模塊來實現(xiàn)該功能。在自跟隨智能旅行箱安裝測距模塊，用芯片處理測距模塊返回的信息，得到此時旅行者相對旅行箱的相對位置，根據(jù)距離角度在結(jié)合算法控制電機(jī)驅(qū)動，調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制輪子速度來實現(xiàn)自跟隨的功能?；诎踩矫?，通過指紋模塊、短距離測距模塊和語音播放模塊實現(xiàn)一級安全系統(tǒng)，只有正確的指紋才可以打開旅行箱，并且旅行者和旅行箱之間的距離一旦超出規(guī)定范圍便會自動警報提醒旅行者。二級安全系統(tǒng)由GPS定位模塊實現(xiàn)，如果發(fā)生旅行箱不幸丟失的情況，其便對旅行箱精準(zhǔn)定位，利用短信獲取旅行箱的當(dāng)前位置，進(jìn)行尋回。通過一級安全系統(tǒng)和二級安全系統(tǒng)徹底解決了旅行者在外擔(dān)心自己財產(chǎn)問題，同時旅行者也可隨時了解旅行箱的重量，判斷是否超出飛機(jī)等運輸設(shè)備的規(guī)定范圍。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計圖

2.2 控制系統(tǒng)電路穩(wěn)定性及其合理性

本項目設(shè)計中由于使用了多個模塊，對于不同模塊使用了不用的通訊協(xié)議，所以在電路設(shè)計上必須根據(jù)不同的I/O口所具有的硬件資源將不同的模塊與合適的I/O口連接到一起，以達(dá)到硬件資源利用最大化。

由于不同模塊的工作電壓不同，電機(jī)的驅(qū)動需要的電壓最高12V左右，所以使用12V的電池作為總的電源輸入并直接用電源電壓對電機(jī)驅(qū)動供電；對STM32F4微控制器的供電需要5V的電壓，所以需要在電路中加入穩(wěn)壓模塊并引出5V的引腳口，分別對不同模塊進(jìn)行供電。

3 主要軟件設(shè)計

本設(shè)計中使用的編程語言是大家都比較熟悉C語言，使用的編譯器為Keil 5。Keil編譯器完美的支持使用C語言對STM32系列芯片的驅(qū)動，該編譯器功能非常強(qiáng)大，支持在線仿真功能，可以通過觀察窗看到每一個寄存器的值，可以更加直觀的看到程序設(shè)計時出現(xiàn)的錯誤并及時改正，對于程序的調(diào)試非常有幫助。程序編寫時使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動過程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實現(xiàn)調(diào)用的過程，不同文件中函數(shù)的調(diào)用通過對相應(yīng).h文件的引用來實現(xiàn)。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀閱比較強(qiáng)，編程思路體現(xiàn)得更加清晰，對于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方便。其中使用的短距離測距模塊可實現(xiàn)自動跟隨，自跟隨系統(tǒng)采用兩個短距離測距模塊獲得使用者的當(dāng)前具體位置。如果只采用單一的測距模塊，芯片得到的數(shù)據(jù)可能存在誤差，使用此類數(shù)據(jù)必然會使系統(tǒng)的精度和實時性降低，因此利用同類測距模塊分別安裝在底座的兩側(cè)，獲取兩側(cè)分別到使用者的實時距離，根據(jù)三個已知長度L1、L2、L3，模擬出一個三角形，再根據(jù)三角函數(shù)公式得到此時旅行箱與旅行者之間的實時距離L和實時角度α的值，然后利用PID算法配合電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)自跟隨系統(tǒng)。程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計流程圖

4 實驗結(jié)果

本項目實現(xiàn)了在模擬情景中自動跟隨旅行者的功能，但是目前只限于平地環(huán)境，在斜坡或者是樓梯情景中功能仍有待改善。在安全系統(tǒng)方面，功能已全部完成，旅行者可以錄入、刪除指紋庫內(nèi)指紋，并且可以通過手機(jī)短信得到旅行箱的實時位置，通過現(xiàn)有的地圖查找軟件獲取具體位置路線，且當(dāng)旅行箱和旅行者之間距離差距過大，旅行箱會持續(xù)報警提醒旅行者。

總結(jié)：本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力和穩(wěn)定性。相對于常見的傳統(tǒng)旅行箱，其具有移動速度快、使用更簡單、節(jié)省旅行者體力、安全系數(shù)高等特點，對傳統(tǒng)的只能推拉的行李箱存在的不便捷之處進(jìn)行改良，實現(xiàn)了旅行箱自動跟隨。使用Cortex-M4內(nèi)核ARM架構(gòu)的STM32F4微控制器，具有處理速度更快、功能更強(qiáng)大、功耗更低等特性。本項目設(shè)計的旅行箱應(yīng)用方便，實用性非常強(qiáng)，對于安全系統(tǒng)可以通過APP來獲取旅行箱的具體位置，以便應(yīng)對各種情況，可有效地保護(hù)旅行者的重要物品。測重系統(tǒng)極大程度的解決了旅行者放入物品的重量超出飛機(jī)等運輸設(shè)備規(guī)定的范圍的情況，當(dāng)超出范圍后具有報警功能；同時，可實現(xiàn)指紋開鎖、實時測量重量的基本功能，方便了使用者，解決了許多旅途中的煩惱。