完成日期：2021-08-31

一、选题的依据及意义

行李箱是人们旅途中的好帮手，最早的行李箱可追溯到20世纪20年代的木制手提箱，随着航空业的发展，轮式行李箱于1972年在美国问世[1]。直至1987年才出现了装上了轮子和拉杆的立式拉杆箱，解决了乘务人员到处跑的困难，逐渐普及到全球市场。

行李箱极大地方便了人们的出行，如今的行李箱不只是设计的更美观更人性化，万向轮的使用也让拖行更加方便。而在当今的移动互联时代，各种智能化设备一步步融入人们日常生活的各个领域，智能行李箱也不例外。定位防盗、自动跟随、智能称重、USB充电等功能通过智能硬件都可以集成在行李箱上，尤其是自动跟随功能，能让你解放双手、边走边玩，智能行李箱的问世是行李箱发展史上的一次重大突破。

故而本产品——多功能智能跟随行李箱的设计，符合党的十九届五中全会提出的“强化国家科技力量、提升企业科技创新水平，以创新驱动、高质量供给创造新需求，打造经济发展新动能”的时代要求，具有助力科技进步、方便人民生活的社会意义，在实现成本减少后，销量的增加也能带来可观的成本，创造商业价值。

二、国内外研究现状及发展趋势

1.国外智能跟随行李箱研究现状

国外智能跟随行李箱的发展相对较早，在2015年4月，以色列AI Robotics公司曾向公众发布了一款机器人旅行箱产品的概念模型，箱子内置摄像头和动力驱动装置，可以通过蓝牙与用户手机连接，具有自主跟随用户行走并与用户进行互动交流的功能，而且箱子可以自动检测内部物品的重量，让用户在旅途中快速了解行李是否超重，同时具有防盗报警器功能，超过预定的安全距离就会报警，除此之外还能通过内置充电系统为手机和其他电子设备充电。但AI Robotics公司众筹200万美元之后，至今尚未将产品交付给消费者，目前在做无人飞行器产品。

2016年，美国的Blue smart公司向公众推出了第一代智能旅行箱产品Blue smart One，相比以色列AI Robotics公司的机器人旅行箱概念模型，Blue smart One多出了使用手机app对箱子进行GPS定位追踪、手机操控上锁解锁、记录飞行距离和降落机场等更加丰富的功能。它的出现使得旅行箱进入到智能物联网时代，试图让行李箱成为人们旅途中的有力助手。在Blue smart之后，国内外多家科技型创业公司相继推出了类似的产品，其中甚至包括美国新秀丽、德国RIMOWA(日默瓦)等国际知名箱包大牌企业，但功能水平参差不齐，存在着稳定性不高、实用性欠佳、性价比不高等诸多问题。

2.国内智能跟随行李箱研究现状

国内行李箱的发展可以追溯到2016年，安徽的一家机器人初创公司酷哇机器人，在2016年4月展示了一款名叫“COWROBOTR1”的智能行李箱概念模型，并开始众筹。它能够实现自动跟随及自主避障，行李箱的外观和普通行李箱相差无几，最大的创新点是其驱动轮放置在了行李箱底部的中间位置且能够自动升降，应用了飞机起落架原理。在使用中，用户能够随时切换自动跟随与手动模式。与众多国外产品一样，COWROBOTR1有GPS定位系统、距离感应系统、可拆卸的便携式移动电源USB供电等功能。30天的总共筹得58345美金，2018年产品做出后售价一度高达万元，后来公司对功能减配来降低成本，最终公司对产品实际效果和市场并不满意，目前酷哇机器人公司已经停止对智能行李箱的研究，现专注于城市复杂场景下智能驾驶和智能网联技术的研发及应用。

继COWROBOTR1之后，国内曾出现过多家研发和销售智能跟随行李箱的企业，包括上海润米科技有限公司、北京灵动科技有限公司、常州爱尔威智能科技有限公司、深圳市爱途仕智能科技有限公司等。目前除了上海润米科技发布了90FUN自平衡智能跟随行李箱后没有继续研发新品的相关媒体报道外，其余三家公司仍在继续研发和销售智能跟随行李箱，其中做的最好的是灵动科技的OVIS智能跟随行李箱，有着较强的自主跟随稳定性和丰富的人性化功能。

 

 

 国内四款行李箱，从左到右依次为:爱途仕、酷哇、爱尔威、灵动科技

智能行李箱产品发展至今，虽相对于初代产品有了很大的改进和优化，但在功能跟上、性价比上仍有很大缺陷，部分品牌行李箱还存在着控制效果不好的情况。如：酷哇智能跟随行李箱是采用激光雷达与摄像头的技术，扫描距离箱子最近的一个人，很容易跟错人；爱途仕使用蓝牙信号定位跟踪，但存在配对麻烦、动力不线性、容易跟丢、手动时只能纵向推动等严重影响用户使用体验。

智能行李箱的发展才刚刚开始，市场上的智能行李箱有稳定性不佳、性价比不高的缺点。本文设计的多功能智能跟随行李箱亦为一种自动跟随行李箱，而且有指纹解锁、USB充电、超距报警、智能称重等实用功能。

三、项目的具体内容

本项目通过分析市场上已存在的多功能智能跟随行李箱产品的稳定性、可靠性、功能的丰富性以及是否符合人性化的设计，针对行李箱的定位跟随系统进行了优化设计，保证了行李箱自动跟随的稳定可靠。在人性化设计方面，增加了指纹解锁、自动称重、超距离报警、USB双向快充四大功能，充分解决了用户的使用需求。

本项目的研究重点是自动跟随，行李箱自动跟随用户的实现是基于定位技术、动力驱动和定位跟随算法的，项目人员通过分析GPS、机器视觉、UWB等七种主要的定位技术和TOA、TOF、AOA等五种定位跟随方法，对比选择出适合室外定位且具有精准度高、稳定性高、抗干扰能力强的技术方法。并针对行李箱的自动跟随功能，建立了行李箱运动模型，以便自动跟随软件编程的实现。在动力驱动设计中，利用简化理想模型对动力电机的扭矩和转速进行了计算，以便行李箱的动力满足用户正常的行走速度。

在控制方案的选择中，基于较高的实时性和可靠性需求，选择多处理器分布式控制，同时便于控制系统的升级与维护。在其他功能的实现上，通过对相关参考文献的研读，分析了各功能实现的相关技术原理，然后进行硬、软件设计。硬件设计包括模块选型和电路设计，模块选型时，本设计基于小体积、小重量、低功耗、较高的抗干扰能力和防水能力、较高的集成能力等原则，选择出适合安装于行李箱中的模块器件。在电路设计中根据自身的知识储备以及相关硬件的用户手册、数据手册，设计出合理了的硬件方案。软件设计包括自动跟随系统软件设计、指纹解锁软件设计、智能称重软件设计三大部分，软件设计中基于硬件电路和控制器对各功能部分进行了设计。

最后，对系统各功能部分进行了测试分析，在功能模块单独测试无误条件下，综合各部分模块进行联调联试，分析多功能智能跟随行李箱的综合性能。

四、本项目的实施方案

1.系统总体设计原理分析

1.1总体功能需求分析

根据对市场上智能跟随行李箱的调查研究以及用户的反馈，本项目设计的主要内容包括对定位跟随、自动避障、指纹解锁、自动称重、超距离报警、USB双向快充的设计。其中定位跟随与自动避障功能需要达到精确定位和稳定跟随，是本项目主要的研究对象。以下对几种技术进行介绍：

1. 定位跟随：首先通过定位技术，确定行李箱与用户之间的相对位置，进而通过自动跟随算法，驱动箱体底部的动力电机，最终达到跟随效果。

（2）自动避障：利用超声波、激光雷达等测距传感器识别障碍物，进而做出躲避抉择，通过驱动箱体底部的动力电机，最终达到避障效果。

（3）指纹解锁：通过光电式或电容式指纹传感器进行指纹信息的采集和识别，以指纹解锁的方式提高行李箱的安全性能。

（4）自动称重：通过设计在行李箱侧面的称重传感器，自动测量行李箱及箱内物品的整体重量。

（5）超距离报警：以定位技术为前提，识别到行李箱与用户的距离超过预定的距离后，自动发出报警信号，可显著提高行李箱安全性能。其报警分为两个距离段：距离超过1.5m时，产生一小段报警声；距离超过2.5m时，不断产生报警声，直至距离恢复至1.5m内。

（6）USB双向快充：采用USB双向快充技术，通过便携式可拆卸电源，实现为行李箱供电的同时，还可为用户的智能设备应急供电。其中快充技术的实现能够极大的节省用户充电的等待时间。

1.2定位技术分析

定位技术总体上分为两类：视觉定位和非视觉定位。下面对主要的定位技术进行分析。

1. 视觉定位技术

优点：可识别用户体态特征，运用灵活，不用携带信号源或遥控器

缺点：视觉控制系统和图像处理系统算法复杂，开发难度大；成本高

1. GPS定位技术

优点：技术成熟稳定，不受天气影响，卫星有效覆盖范围大

缺点：GPS信号受建筑物影响大，且定位精度低

1. 蓝牙定位技术

优点：受环境干扰较小，功耗低

缺点：作用距离短，定位精度低，不便于整合到其他系统中

1. 超声波定位技术

优点：精度比较高，成本低

缺点：容易受环境影响；传输过程中衰减明显

1. UWB超宽带技术

超宽带(UWB技术)是一种无线电技术，通过标签、基站之间相互发送电磁波进行通信，进而准确地测量无线电信号的飞行时间，从而实现厘米精度的距离、位置测量。

优点：实时性好、系统复杂度低、定位精度高、抗多能力强。

缺点：模块成本高。

对于以上定位技术，蓝牙、RFID、UWB超宽带实现定位的方法属于信标定位和三角测量法，需要在环境内铺设信标或者信号基站，其中UWB超宽带定位成本较高。GPS卫星导航定位只能用于室外无遮挡环境，且民用GPS定位精度低，误差超过1m，而红外线定位技术则只能应用于可大面积布置信号发射源的室内。

蓝牙AOA发展较晚，虽然得到了业界的积极响应和支持，但目前市场上公开的蓝牙5.1定位测向技术极少，而且蓝牙信号的多径反射问题也在一定程度上影响了行李箱定位的精度。UWB在国内发展有十多年了，其应用广，市场较大，定位精度高，运行稳定。

综合考虑后，本设计采用UWB定位技术实现行李箱的自动跟随与超距离报警功能。

1.3自动跟随及避障技术分析

1. 要实现自动跟随功能，需两个步骤：知道目标在哪、能跟着目标运动；在自动跟随的过程中，还需要躲避障碍物，避障叶需要两个步骤：识别障碍物、躲避障碍。使用定位模块能实现“知道目标在哪”；通过超声波传感器和激光雷达“能识别障碍物”；“跟着目标运动”和“躲避障碍”需要进行动态路径规划并通过动力驱动模块驱动行李箱运动。
2. 本项目采用中间两轮驱动方式来驱动行李箱，通过差速控制实现转向。
3. 行李箱对目标的跟随主要分为两种控制模式：普通跟随和避障跟随。在普通跟随模式下，前方检测到障碍物时，行李箱自动切换为避障跟随模式.

1.4控制系统总体框架

根据功能需求和技术原理，行李箱控制系统由控制器、电源模块、定位模块、动力驱动模块、避障模块、指纹解锁模块、智能称重模块、超距离报警模块、USB快充模块九大部分构成。电源对七大功能模块和控制器进行供电，控制器之间以及模块于控制器之间通过总线传输数据。

1.5行李箱结构设计

1. 行李箱的尺寸关系到用户能装多少的行李。本设计采用20英寸的行李箱作为模型，因此底盘的设计是24cm*36cm。
2. 考虑到多功能智能跟随行李箱的动力驱动模块和其他硬件模块会占用一部分行李箱的单体重量和容量，因此需要将行李箱控制系统各模块合理设计以缩小占用空间，在器件选择上也需要优先选择迷你版。
3. 本设计将大部分控制系统集中设计到行李箱底盘以缩小占用空间，降低了行李箱行驶的稳定性。

2.控制系统硬件设计

多功能智能跟随行李箱硬件部分包括控制器、电源、定位、动力驱动、避障、指纹解锁、自动称重、超距离报警、USB双向快充等多个部分。其中定位、动力驱动、避障三大模块构成智能跟随系统，指纹解锁、自动称重、超距离报警、USB双向快充等构成了多功能行李箱系统。项目本环节对各功能系统进行硬件设计。

2.1控制器模块

2.1.1控制方案的选择

多功能智能跟随行李箱最核心的功能是自动跟随，而实现自动跟随的前提是定位技术。定位技术对系统的实时性要求非常高，因此，本设计基于较高的实时性和可靠性需求，选择多处理器分布式控制，将定位信号数据处理部分与传感器的环境感知及其他功能的数据处理分离进行，多处理器之间通过总线技术进行通讯。另外，分布式的硬件控制系统，可以非常方便的升级与维护。

2.1.2主副控制器的选择

综合考虑系统综合性能要求和成本要求，主控制器MCU使用AVR -ATmega

2560芯片；副控制器MCU采用ARMSTM32F407ZET6芯片。

2.1.3控制系统电路设计

（1）主控制器最小系统电路主要包括供电电路、复位电路、时钟电路以及串口调试接口电路。

（2）复位电路采用RC电路，可以对该芯片上电复位，同时按钮S1可以手动复位；时钟电路采用16MHz的晶体震荡器。

（3）为了方便调试，副控制器最小系统设计中增加了一个JTAG/SWD调试接口其他部分的设计与设计与主控制器相似。

2.2电源模块

自动跟随行李箱为独立行走系统，因此控制器、电机、传感器等器件都需要行李箱自身携带的电源供电。本设计采用了18650锂电池组与USB双向快充模块组成系统总电源，总电源需使用支持PD快充的充电器为电池组充电，同时可通过USB-C接口向控制系统供电，还可通过USB-A或USB-C接口作为移动电源使用。

2.1.1系统电源需求分析

本系统中电源模块的功能是设计不同的降压稳压电路，为系统各个模块稳定供电。多功能智能跟随行李箱控制系统所需的电源包括：12V的电机动力驱动模块和超距离报警模块；5V的智能称重模块、避障模块、主控制器、舵机；3.3V的指纹传感器模块、副控制器、定位模块。其中动力驱动模块的额定功率是9.6W，其他模块均为超低功耗。其中12V的电机电机驱动模块和超距离报警模块由系统总电源直接供电，5V和3.3V相关模块由降压稳压电路供电。系统总电源可供最高18W的负载使用，而负载中动力驱动模块额定功率为9.6W，其他模块均为低功耗器件，电源功率上满足要求。

2.1.2降压稳压电路设计

本设计基于AMS1117降压稳压芯片设计加稳压电路，AMS1117具有更大的输出电流，可供系统中多个模块使用。AMS1117有多种型号规格，包括可变输出和固定输出两大类型，其中固定输出类的芯片可输出1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V，和5.0V等多种电压，其内部集成有过热保护和限流保护电路，具有1%的精度。本设计采用AMS1117-3.3和AMS1117-5两种固定输出降压稳压芯片。

2.3定位模块

定位模块对行李箱自动跟随功能十分重要，硬件设计的优良决定了测距和定位的准确性，硬件框架图如下：

 

2.4动力驱动模块

动力驱动模块需要先对动力驱动方式进行选择，接着对驱动电机选型，并设计驱动控制电路。硬件框架图如下：

 

2.4.1动力轮的设计

1. 目前市面上自动跟随行李箱的动力驱动方式主要有三种：双轮驱动轮自平衡方式、前向/后向双轮驱动方式、中间双轮驱动方式。
2. 双轮驱动轮自平衡方式只有两个轮胎，类似双轮平衡车，其优点是运动灵活，但双轮驱动需要提供更强的驱动力和稳定性，因此动力轮设计很大，导致占用很大空间，且耗电量较高；前向双轮驱动方式由两个万向轮和两个动力轮组成，运动方式简单，但其结构限制了用户手动拉动行李箱的方式；中间双轮驱动方式采用四个万向轮和两个驱动轮，动力轮采用可升降方式，在自动跟随状态降至地面，在手动状态自动上升进入箱体，因此用户可以自由切换自动跟随和手动两种方式。对比以上三种方式后，本设计采用中间双轮驱动方式，以提高行李箱易用性。

2.4.2动力驱动需求分析

行李箱的驱动力来自驱动电机的扭矩，驱动电机将驱动轮与路面的附着力转化为地面对车辆的牵引力，行李箱运动时，驱动电机将驱动转矩Mk传到驱动轮上，产生路面作用于驱动轮边缘上向前的牵引力Ft，牵引力Ft通过行李箱底盘传到行李箱整个箱体，用来克服作用于汽车上空气阻力、地面摩擦阻力和坡道阻力。

根据滑动摩擦力Ff和轮胎半径r计算行李箱匀速行驶时电机所需扭矩；将扭矩分配到单个驱动轮，计算单个电机扭矩；根据最大速度和驱动轮半径r计算电机额定转速n；根据电机扭矩和电机转速，选用合适的驱动电机。

2.4.3驱动电机选型

考虑到自动跟随行李箱对调速性能要求比较高，并且电机需要提供较大的转矩，因此选用直流电机作为驱动电机。本设计采用的是自带霍尔编码器的永磁直流有刷电机。

2.4.4动力驱动电路设计

驱动电机的控制一般需要搭配驱动电路，通过对驱动电路输入PWM波形实现对占空比的控制，最终实现对电机转速的控制以及正反转的控制。本设计采用TB6612FNG电机驱动模块，此模块相对于传统的L298N，体积大幅度减少，发热量更少，因此效率更高。

2.5避障模块

2.5.1行李箱避障方案设计

行李箱在未知环境下实现自动跟随需要进行避障，避障需要传感器获取周围环境信息，包括碍物的尺寸、形状和位置等信息。行李箱的避障只需要在行李箱周围大约2.5m的区域识障碍物即可，因此避障系统相对简单。超声波传感器具有性价比高、硬件实施简单的优点，检测范围也可达到2.5m，方向性较好，尤其是能检测到玻璃、镜面等特殊物体。

本设计采用深圳信德电子生产的JSN-SR04T-V3.0超声波模块，给模块可提供21cm-600cm的非接触式距离感测功能，测量精度可达高到3mm，模块采用工业级一体化超声波探头设计，防水效果好，性能稳定，探测盲区小，体积小，使用便捷非常适合作装配到自动跟随行李箱使用。

2.5.2避障模块电路设计

一体化超声波探头通过JSN-SR04T驱动模块采集环境信息，JSN-SR04T驱动模块采用IO口TRIG触发测距，首先IO口输出10us的高电平信号，触发模块自动发送8个40khz的方波，检测到信号返回后，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。超声波探测的时序图如下：

 

模块与MCU之间通过串口通讯，模块RX、TX分别需要接到MCU的TX、RX。当模块被触发测距后，若因超过测量范围接收不到回波，ECHO口会在60ms后自动变为低电平，标志着此次测量结束。

2.6指纹解锁模块

本设计应用指纹解锁技术主要考虑其安全性和快捷性，提高人们出行效率。指纹解锁技术是根据手指指纹“人各不同，终生不变”的特点，利用指纹传感器检测人体指纹特征，再将这些特征信号转换成数字信号输入到控制器，通过控制器对比指纹特征并控制执行器的动作执行，达到指纹解锁的目的。

 

2.6.1指纹传感器硬件选型

（1）目前的指纹传感器主要分为光学指纹传感器、电容式指纹传感器、超声波指纹传感器。综合考虑到行李箱的使用环境、需要较快的识别速度和较高的识别率以及较小的空间占有率，最终选择电容式指纹传感器。

（2）本设计采用MR608半导体电容式指纹模块，具有很高的性价比。MR608是集成了半导体传感器和指纹算法芯片为一体化指纹处理模块，具有体积小、功耗低、接口简单等特点，模块可靠性高、干湿手指适应性好，指纹搜索速度快。指纹图像读取时，对干湿手指都有灵敏的反应和判断。且具备自学习功能，内部算法能对比并补充每次使用是的指纹特点，在使用过程中越用越好用。MR608模块还具备感应手指功能，当手指按压到指纹采集面时，模块Touch脚输出高电平。另外，该模块具有可调节的等级功能、指纹特征数据的读/写功能。

2.6.2指纹解锁电路设计

MR608模块提供板载串口，MCU通过串口与MR608进行通讯和控制。上位机是MCU时，MCU可提供3.3V电压，模块可直接通过UART-TD和UART-RD与MUC连接，进行数据通讯。考虑到整体电路的功耗，指纹模块只有工作状态和不工作两种状态，由于电容式指纹模块采用低功耗模式，触摸感应信号在VDD（指纹电源）接通后无效。本设计采用的接法为接上VADD（触摸感应电源），触摸感应输出端接MOS管来控制VDD（指纹电源）。无指纹按压时VDD自动断电，达到省电目的。

2.7自动称重模块

行李箱的重量一般不超过30kg，所需的称重传感器属于小量程的压力传感器。市面上的称重传感器种类繁多，但小型传感器一般只有应变片式压力传感器（工业级除外）。

自动称重模块在行李箱中的安装位置设计如下图所示：

 

如图，四个称重传感器安装于行李箱后侧面四个角的位置，当行李箱平方在地上放入物品的时候，将会自动显示出行李箱实时重量信息。

2.7.1应变片压力传感器原理

金属导体电阻值随机械形变而改变的现象称为“应变效应”，利用金属电阻应变效应可制成应变片，进而制成电阻式压力传感器，在连接上形成桥式电路后，通过应变片的阻值变化，即可测量物体所受压力的压力值。其中，应变片阻值的变化，通过桥式电路可成倍提高其灵敏度，并使输入和输出呈线性关系，并获得相应的毫伏级电势输出，用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力传感器。

2.7.2称重传感器于AD转换模块选型

1. 目前市面上适用于行李箱称重的传感器有两种类型，分别常用的电子秤常用的长方体块状全臂应变片压力传感器和体重秤常用的E字形双臂电桥应变片压力传感器。
2. 长方体块状全桥应变压力传感器测量精度高、量程类型丰富，但体积大、重量大、价格也高，一个量程为40kg的传感器长130mm、宽30mm、厚度为22mm、重量为180g；单个E字形半桥应变压力传感器测量精度较低，但体积小、价格低、只有50kg量程的产品，传感器长宽均为30mm、厚度仅为5mm。而且多个半桥传感器可组成全桥传感器，弥补精度上的缺陷。
3. 对比以上两种传感器，最终采用E字形双臂电桥应变片压力传感器，使用四个传感器分别放置到行李箱侧面的四个支撑角，并组成全桥电路。
4. 本设计最终采用了深圳市维芯科技有限公司的E字形双臂电桥应变片压力传感器，内部为1000欧半桥应变片，量程为50kg。测量时，外侧边正确施加外力，E字形传感器的应变梁部分（即中间贴应变片的,有白色覆胶的梁臂）和外侧边要形成一个方向相反的剪切力，即中间的应变梁在受力下必需可以发生弯曲变化，应变梁受力面另一侧不可有阻挡物。四只传感器组成全桥测量量程为四只传感器的量程之和，即为200kg。使用HX711AD转换模块作为压力传感器的信号转换模块，HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了整机成本，提高了称重的性能和可靠性。

2.7.4自动称重硬件电路设计

首先，对四只半桥应变压力传感器进行设计，组成一个全桥电路。半桥应变压力传感器内部结构如下。图中R1为正应变电阻，R2为负应变电阻，将4个相同的传感器连接可得到全桥应变电路。

全桥应变电路连接过程如图所示： 

2.8超距离报警模式

超距离报警技术是基于定位技术实现的，定位系统检测到行李箱距离用户超过0.8m时，产生一小段报警声，当距离超过2m时，不断产生报警声，直至距离恢复至0.5m以内。报警信号可由喇叭、蜂鸣器等器件产生，本设计采用蜂鸣器报警。

2.8.1蜂鸣器选型

1. 根据蜂鸣器的发声原理可将蜂鸣器分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。其中多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通1.5~15V直流工作电压后，多谐振荡器起振，输出100~500HZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。而电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成，接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。蜂鸣器的发声原理据决定了电磁式蜂鸣器音色相对较好。
2. 根据蜂鸣器是否有震荡源又可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种类型，无源蜂鸣器需要输入方波信号驱动蜂鸣器发声，输入不同频率的方波可以驱动蜂鸣器发出不同类型的音调。而有源蜂鸣器则是输入直流电源即可发声，但发声频率固定。
3. 压电式无源蜂鸣器价格便宜，且声音频率可控，其次考虑到行李箱的使用环境包括了车站、公路等噪音较高的地方，因此本设计使用维芯科技生产的SHD4216高分贝报警器，其声压可达100dB。

 

2.8.2报警模块电路设计

蜂鸣器需要驱动电路才能正常工作，电路设计如下。

 

首先，控制MCU输出PWM波形到驱动电路，可驱动蜂鸣器发声；二极管D1可以提供续流；电容C1的主要作用是滤波；三极管起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声;，而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

2.9蓄电池与USB双向快充模块

USB_IF协会推出的USBPD协议支持100W最大功率，并统一使用Type-C接口，提高了易用性，快充技术是解决续航问题的关键技术之一。本设计采用快充技术来实现行李箱电源的快速充电，同时行李箱电源设计为双向快充，即可以作为用户的应急充电宝，给用户的智能设备进行快充，快充技术在目前已经比较成熟，本系统直接使用市场上现有的快充模块，不进行电路设计。

2.9.1蓄电池的选型

（1）锂离子电池具有容量大、能量高、体积小、很低的自放电率、几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点，18650锂电池和软包装锂聚合物电池是最长用的两种锂电池，18650锂电池体积固定（直径18mm、高为65mm、圆柱体电池，并采用钢外壳封装），而软包装锂聚合物电池体积、形状一般可以随意定制。

8650成本相对较低，寿命相对较长，性价比高。因此选用18650电池拼装为电池组，为行李箱控制系统及驱动部分进行供电。

 

1. 另外，为了满足持续工作电流、瞬间启动电流，本设计采用由18节18650电池，电压设计为12V，可持续工作电流为12A，总容量为16800mAh的电池组。

2.9.2  USB快充模块的选型

本设计采用了集成了IP5328P芯片的USB双向快充电路模块，IP5328P可同时支持多个USB口，并且均支持多种快充协议（QC2.0/QC3.0、FCP/AFC输入输出快充协议、SFCP输出快充协议、MTKPE+1.1&2.0输出快充协议、USBC/PD2.0/PD3.0输入输出协议、USBCPD3.0PPS输出协议），集成双向PD功能，且支持多种电压电池，涵盖市面上所有锂电池，充电电流5A，支持18W输出，可同时支持USBA，USBB，USBC三个USB口，单独使用任何一个USB口都可以支持快充，同时使用两个输出口时，只支持5V。同时内置电量计功能，内置功率管，外围元件数量少。

3.控制系统软件设计

控制系统通过各个传感器模块获取环境信息，通过控制器进行控制决策。本章将介绍多功能智能跟随行李箱软件系统的功能程序设计，为了开发的代码结构简单、可移植性强，在设计中仍采用模块化的方式进行，系统的软件开发平台为ArduinoIDE和Keil5。

3.1软件框架总体设计

在多功能智能跟随行李箱系统中，首先根据用户佩戴的标签设备进行定位信息的采集。若用户距离行李箱位置较近，则启动静止模式，静止模式下，指纹解锁和自动称重两个模块处于工作状态，若用户距离行李箱较远，在启动运动模式，运动模式下，根据超声波传感器获取的环境信息选择正常跟随模式和避障跟随模式，正常跟随模式下，只进行定位信息采集，用于控制量驱动轮的转速，达到行李箱跟随用户效果，避障跟随模式下，需要同时采集环境中障碍物的信息以及定位信息，达到避障跟随效果。软件框架结构如下图所示。

 

3.2 自动跟随系统软件设计

3.2.1UWB定位模块软件设计

UWB定位模块软件设计主要包括，行李箱上固定的UWB基站模块和用户所携带的标签模块两部分。根据UWB模块的用户手册，设计基站模块和标签模块的程序流程图如下。

UWB基站流程图中的距离值是指基站到标签的距离值，也即用户与行李箱之间的距离值，此距离值是根据信号飞行时间（TOF）计算的。利用TOF+AOA定位方法即可实现UWB定位。

 

3.2.2避障模块软件设计

行李箱避障方式采用超声波避障，两个超声波传感器探头安装于行李箱前面两侧位置，实时监测行李箱前方的障碍物信息，避障模块程序流程图如下。

 

根据程序流程图，避障模块首先检测障碍物信息进行跟随模式选择，在避障跟随模式下，根据行李箱与障碍物之间的距离调整转弯半径，控制两驱动轮进行差速运动，进而使行李箱转弯，达到躲避障碍的效果。

3.2.3自动跟随软件设计

1. 自动跟随模式分为避障跟随和正常跟随。避障跟随模式下行李箱行驶的线速度上一时刻的线速度，驱动电机的转速控制都与上一时刻相同；避障时，需要从避障模块获取障碍物信息，进而计算出转弯半径，控制左、右驱动电机差速旋转，进行转向。
2. 正常跟随模式下，行李箱行驶的线速度受到行李箱与用户之间的距离控制，距离越大，左右驱动电机的转速就越大，行李箱行驶的线速度就越大；其次，行李箱的转向受到行李箱与用户之间的偏转角度控制，转向时，以两驱动轮中心间距的一半为半径，控制左、右驱动电机差速旋转，进行转向。

3.2.4超距离报警模块软件设计

超距离报警分两个距离段，分别是1.5m~2.5m和2.5m以上。超距离报警程序流程图如图

 

根据程序流程图，行李箱与用户之间的距离信号由UWB定位模块提供，当行李箱距离用户超过1.5m时，产生报警信号2；当距离超过2.5m时，报警信号1，直至距离恢复至1.5m以内。一级报警信号的强度大于二级报警信号。

3.3指纹解锁软件设计

1. 指纹解锁软件设计主要包括OLED显示、按键扫描、指纹检测、指纹录入、指纹删除、指纹搜索对比、舵机控制等多个部分。指纹解锁程序流程图如下图。
2. 指纹传感器与MCU之间通过串口通讯，OLED屏与MCU之间采用了IIC通讯。指纹模块程序运行首先进行指纹模块、OLED屏等外设的初始化以及必要的宏定义、按键输入口的配置等；指纹模块主程序包括“显示主页(HOME)”、“指纹检测”、“调用指纹解锁函数1”、“按键扫描”，在无任何输入的情况下，程序将无线循环以上五部分，同时OLED显示系统主页面。

（3）如果指纹传感器接触到指纹输入，则立即通过“指纹解锁函数1”子程序控制舵机开锁，进而打开行李箱，之后程序返回到上述五部分的循环。

如果检测到“K1”按键被按下，程序调用“显示菜单(MENU)”子程序，OLED显示菜单页面，菜单页面包括“指纹解锁*菜单”、“K1-录入指纹”、“K3-删除指纹”、“K5-指纹解锁”四部分，接着调用“按键扫描”子程序。

如果按键扫描子程序检测到“K1”被按下，则通过流程图中的四个部分完成录入指纹操作；如果检测到“K3”被按下，则完成删除指纹操作；如果检测到“K5”被按下进行指纹解锁。同时，每个操作都有对应的多个内容在OLED上显示。

3.4智能称重软件设计

 

1. 本设计采用LCD1602显示屏来显示行李箱重量信息。智能称重软件设计主要包括称重传感器自动校准等、获取行李箱重量、LCD显示等，智能称重主程序流程图和称重传感器初始化子程序流程图如下图。
2. 主程序主要用来获取和显示重量，程序中用到了“LiquidCrystal”函数库可以方便显示字符信息，重量值则是通过“HX711”函数库获取。称重传感器初始化较为复杂，设计中为了使行李箱更智能，用程序代替了“去皮”和“校准”两个过程，“去皮”过程是将重量值归零，程序从传感器获得重量值后，将首次获得的重量值作为皮重值保存到一个宏定义的变量，之后给次获得的重量值都减去这个变量值；“校准”过程涉及到一个校准系数，首先需要放置一个一直重量的“砝码”，通过调整过校准系数，使得重量值和“砝码”重量相等。

 

4.系统功能测试分析

根据前文硬件、软件部分的设计，首先搭建底盘模型和各部分硬件电路、编写各模块程序，然后对各部分模块进行功能测试，最后综合各部分模块进行联调联试，分析多功能智能跟随行李箱的综合性能。

4.1控制系统实验平台搭建

多功能智能跟随行李箱控制系统实验平台平台按照20寸行李箱的长和宽搭建，高度进行了缩减。其中，超声波传感器安装于平台正面两侧，称重传感器安装于平台后侧面四个角，UWB模块安装于平台顶面两侧位置，控制系统电路和USB双向快充模块均位于平台箱体内部，指纹传感器模块、OLED和按键安装于平台顶面以便操作。

 

图中，下层电路为电源模块电路，中层为MCU，上层从左到右依次为超声波模块电路、指纹解锁模块电路、智能称重模块电路。

4.2各功能模块设计

4.2.1指纹解锁模块测试

指纹模块前期调试需要用到PC上位机，将指纹模块通过USB转串口模块与计算机相连。通过计算机可以设置模块的安全等级、数据包大小、波特率等，还可查看模块参数，最主要的是进行模块调试。

模块调试顺序是：

（1）用上位机与指纹模块通讯，在上位机上设置波特率，通过上位机检测模块识别和对比指纹图像功能是否正常；

（2）连接模块硬件电路，包括指纹传感器模块、MCU、OLED、按键，测量电路中是否由短路、短路、接触不良等问题；

（3）编译、下载程序，检查OLED显示、按键、指纹录入、指纹删除、指纹解锁功能是否正常。

测试前期发现计算机串口经常出现无法检查到设备的情况，PC上位机或MCU与指纹模块之间无法进行通讯。PC上位机与模块之间出现通讯异常的情况较少，MCU与模块之间经常通讯失败。经过研究和查阅资料发现，PC与模块通讯时需要断开计算机其他串口设备才能通讯成功；MCU与模块通讯时，需要上电后等待一段时间（10s左右），模块才能启动完成，如果过早运行程序，将会导致通讯失败，此时应将模块复位，稍等片刻重新运行程序即可通讯成功。程序运行正常，调试中优化了OLED显示界面。

4.2.2智能称重模块测试

智能称重模块调试顺序是：

（1）将四个半桥应变传感器连接成一个全桥应变电路，对传感器施加外力，用万用表检测全桥电路的正负应变电阻的变化是否正常，排除线路问题；

（2）连接模块硬件电路，包括全桥应变电路、LCD1602液晶屏、HX711AD转换模块，测量电路中是否由短路、短路、接触不良等问题；

（3）编译、下载程序，检查LCD显示的重量信息是否正常，是否能够自动去除皮重和自动校准。

测试中发现有轻微的零点漂移现象，由于全桥电路具有温度补偿功能，因此分析是外部电路电压不稳定导致的示数跳动，替换稳压电源、将杜邦线改为铜导线直接连接后，零点漂移现象有所改善，在程序中将重量由克改为千克，保留一位小数时，OLED显示的重量值基本稳定，不会跳动。另外，在硬件中增加了OLED对比度调节电位器，让OLED显示更适应环境。

某一正常测试结果：

五、项目的主要特色或者创新点

 

1.项目特色

本项目在市场上的一些多功能智能行李箱的基础上，对各方面进行了改进和功能扩充。

首先，通过对互联网上现有产品进行分析，大量搜索相关产品的论坛讨论情况和口碑情况，了解人们的需求和现有产品的优缺点，最终确定多功能智能跟随行李箱所要实现的功能。

其次，通过查阅大量的文献资料，对设计中的所需要的各种功能进行理论分析，尤其是对定位技术进行分析讨论，决定出最合适的定位模式。

然后，基于设计中涉及到的相关技术，结合自身所学知识，进行补充性学习。深入学习了Arduino与Stm32的编程与运行调试，结合互联网中的大量学习资料、例程，掌握了相关模块的软件编程技巧和调试技巧。

2.项目创新点

1. 在自动跟随系统的设计中，对定位技术和定位跟随方法进行了对比分析，设计出了一套自动跟随方法。
2. 在智能跟随行李箱功能的设计中，增加了指纹解锁、自动称重、超距离报警、USB双向快充四大功能。
3. 提出了分布式控制系统硬件结构方案，以提高系统的实时性和可靠性。
4. 在对控制系统进行硬件设计的过程中，考虑到多种因素，均通过对现有多种设备的优缺点进行对比来决定最后的组装设备，更具有可靠性。

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