智能行李箱運(yùn)動狀態(tài)控制的研究

李 宏 李月城

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

0 引言

眾所周知，在日常的出行中行李箱的作用十分重要， 但是在路途上絕大多數(shù)時候它無疑又是一種拖累， 所以我們?yōu)樾欣钕浼友b了驅(qū)動系統(tǒng)以及控制裝置，以最大限度地減少出行時的不便。

對于一個需要在道路自動行駛的行李箱而言，最先需要解決的無疑是它的驅(qū)動裝置。在這一方面與傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置基本相同，都是利用電機(jī)驅(qū)動來實現(xiàn)行李箱的自主行動。

雖然市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些能夠自動跟隨的行李箱，但是對于行李箱的控制都不是很精準(zhǔn)，因此，我們開發(fā)了一個手機(jī)專屬App 來實現(xiàn)對行李箱運(yùn)動狀態(tài)的精確控制——對啟動、停止以及轉(zhuǎn)向的控制。 并且為了解決行李箱在上坡以及上樓梯時過重的問題，加入了對這兩種常見狀況的控制。

1 懸架的選擇

想讓一個箱體能夠平穩(wěn)地在道路上運(yùn)動不可避免地需要考慮懸架的問題。懸架是車架和車輪之間用來傳力的連接裝置，它更加主要的作用是用來緩沖路面不平產(chǎn)生的沖擊載荷， 極大限度地減小車身的振動。 這樣不僅能夠使車輪在行駛過程中更加的平順；同時也能夠保證車輪在不平路面上的穩(wěn)定性。這便是生活中最常見的汽車懸架，它的功能總結(jié)起來就是使汽車的行駛更加平穩(wěn)，減少汽車在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動。 懸架一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等幾個主要部件組成的?，F(xiàn)代懸架系統(tǒng)所使用的彈性元件基本上都是螺旋彈簧，主要是利用它承受垂直方向載荷的特性，相比較其他的同類型的元件可以更好地緩和不平路面對車體的沖擊。雖然螺旋彈簧的性能十分的優(yōu)秀，但正因為它的這種特性導(dǎo)致螺旋彈簧自身并不能起到減振的作用，因此，此類懸架需要另外安裝減振器。 當(dāng)車輪在凹凸不平的路面上行駛時，由于懸架受到的垂直力會使車身劇烈振動。當(dāng)安裝了減振器之后就可以迅速衰減這種振動，并使它具有合理的阻尼。這樣就可以利用它的阻尼作用不斷減小車輪振動的振幅。導(dǎo)向裝置的功能主要是用來傳遞除彈性元件傳遞的垂直力以外的各種力和力矩[1]。

現(xiàn)在市面上常用的懸架主要分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩種類型。非獨(dú)立懸架的兩個車輪被安裝在一根軸上，當(dāng)其中的一個車輪產(chǎn)生跳動時同時也會使得安裝在另一端的車輪也產(chǎn)生相應(yīng)的跳動，從而導(dǎo)致整個車身產(chǎn)生較大的振動。獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將車橋做成斷開的，這樣就可以讓每一個車輪單獨(dú)通過彈性懸架與車架連接在一起， 彼此之間不會互相干擾。這樣單一車輪的振動并不會使得另一個車輪產(chǎn)生振動，車身的振動也會減小，相對于非獨(dú)立懸架而言更加平穩(wěn)[1]。雖然目前市面上的懸架種類多種多樣，但是懸架系統(tǒng)都沒有能做得特別好。這是因為懸架的好壞取決于平順性和穩(wěn)定性，但是這兩方面又是互相對立矛盾的必須有所取舍。所以在懸架的制造過程中必須充分地綜合兩方面才能夠使得懸架既能保證優(yōu)良的操縱穩(wěn)定性，又能具備較好的平順性。

現(xiàn)代隨著科技的不斷發(fā)展以及人們對于舒適性的追求，新的方向也出現(xiàn)了。 被動式的懸架開始逐漸向著主動懸架的方向發(fā)展。 目前，這方面的發(fā)展主要是通過調(diào)節(jié)減振器阻尼來實現(xiàn)的。阻尼可以調(diào)節(jié)的減振器主要可以分為兩種，一種是通過控制節(jié)流閥孔口的大小使通過節(jié)流閥孔口的流量發(fā)生改變從而達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼的目的；還有一種是通過改變使用的減振液的黏性來調(diào)節(jié)阻尼[2]。 前者結(jié)構(gòu)相對于后者來說比較復(fù)雜。在這種情況下后者對于我們的研究而言比較簡單。通過使用這種阻尼可調(diào)的減振使得行李箱獲得了更加優(yōu)秀的減振能力， 使得箱體的運(yùn)動更加平順，這個也使箱體能夠應(yīng)對多種路況的基礎(chǔ)。

由于行李箱整體尺寸較小，所以懸架的設(shè)計也需相應(yīng)變小。 經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)獨(dú)立懸架是我們最好的選擇。

2 三角輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先對于直線道路的運(yùn)動并不是十分困難，采用后輪驅(qū)動的方式為箱體的運(yùn)動提供動力，前輪設(shè)計成萬向輪方便進(jìn)行轉(zhuǎn)向的功能。后輪采用三腳輪方便應(yīng)對階梯這種特殊路況，三角輪三個分輪的傳動使用行星齒輪，即由電動機(jī)為太陽齒輪提供動力，經(jīng)由行星小齒輪將動力傳遞給三個分輪為車輪的轉(zhuǎn)動提供動力[3]。 行星輪齒的使用可以保證任意兩個車輪處于地面皆可使箱體正常運(yùn)動。三腳輪主體的轉(zhuǎn)動使用齒輪軸來進(jìn)行傳動。 太陽齒輪位于齒輪軸上，此種結(jié)構(gòu)可以使三個分輪與三腳輪主體的運(yùn)動彼此分離，互不干擾，保證了運(yùn)動的平穩(wěn)性。 三腳輪主體和分輪采用4個方向不同的單向棘輪，三個分輪使用同向的單向棘輪，三角輪主體使用方向相反的單向棘輪。 在平坦道路上，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，此時只有三角輪的分輪工作，三角輪主體不工作，由分輪為箱體的移動提供動力；當(dāng)遇到樓梯這種復(fù)雜的道路時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，這時三角輪的三個分輪鎖死，三個單向棘輪因方向的原因均處于不工作的狀態(tài)，此時只有三角輪主體所連的單向棘輪工作帶動箱體進(jìn)行爬樓梯。

3 制動系統(tǒng)設(shè)計

同時我們需要在三腳輪處安裝制動器，制動時對驅(qū)動裝置進(jìn)行斷電以完成對減速和停止?fàn)顟B(tài)的控制。通常我們所說的制動器指的是一種能夠在我們需要的時候?qū)囕v的運(yùn)動或運(yùn)動趨勢造成阻礙，從而使車速降低的裝置。 目前，汽車制造行業(yè)所使用的制動器基本上都是摩擦式的，這種類型的制動器大體上可以分為鼓式結(jié)構(gòu)和盤式結(jié)構(gòu)兩種。 經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，盤式結(jié)構(gòu)更符合人們對行李箱制動系統(tǒng)的需求。對于車輛而言， 汽車的行駛速度與之前相比得到顯著的提高，而且車輛的舒適度和性能也日益改善。為了提高車輛在高速行駛過程中制動的反應(yīng)速度、提高制動的穩(wěn)定性與安全性， 盤式結(jié)構(gòu)成為市面上汽車制動器的首選。由于盤式結(jié)構(gòu)制動器的剎車盤直接與外界空氣大面積接觸，所以盤式制動器制動時所產(chǎn)生的熱量能夠快速地散發(fā)出去，這樣能夠保證車輛在高速行駛的情況下也能夠短時間快速制動，因此在行李箱上我們也選擇此類制動。

在通電的情況下，位于制動總泵內(nèi)的活塞會被立即驅(qū)動，從而會使得制動油路中產(chǎn)生制動壓力，然后油路中的壓力會通過液壓油傳遞到位于制動卡鉗上的制動鉗活塞，制動鉗活塞在壓力的作用下向外移動同時推動活塞上安裝的制動襯塊去夾緊剎車碟盤，這時制動襯塊會與剎車盤相互摩擦產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力的作用下，車輪的速度逐漸降低，從而使得箱體減速[4]。制動器工作時對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行斷電，這樣可以迅速地完成制動工作，有效地減少剎車片的磨損，延長了制動器的使用壽命。

4 結(jié)論

總的來說，要想讓一個行李箱能夠自主運(yùn)動首先必不可少的便是驅(qū)動系統(tǒng)。 其次，為了使其具備較好的運(yùn)動平順性，必須擁有一個合適的懸架系統(tǒng)，阻尼可調(diào)式的懸架系統(tǒng)便是優(yōu)選。在這里為了實現(xiàn)多種路況下的運(yùn)動， 需要設(shè)計出前輪萬向后輪三角的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步優(yōu)化。最后則是需要良好的制動系統(tǒng)以保證行李箱在運(yùn)動中的安全性。