基于Arduino設(shè)計的一種穩(wěn)速上下坡的自動跟隨避障行李箱

孫銘澤 李勝琴 康家豪 王 杰

（東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著交通發(fā)展，人們的出行頻率變得更加頻繁，行李箱的使用需求量也隨之增加，人們對于行李箱的使用性能有了更高層次的要求，在智能控制技術(shù)的支撐下，行李箱的功能不斷更新，出現(xiàn)了形式多樣的智能行李箱。智能行李箱利用UWB定位模塊實時檢測行李箱的位置[1]、利用STM32單片機做控制單元且擁有藍牙通信[2]和GPS高精度定位系統(tǒng)，它還利用NB-IoT[3]通信模塊為用戶提供全透明的數(shù)據(jù)傳輸模式，用戶能夠依托微信小程序平臺實時了解行李箱內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)并通過手機客戶端頁面上的相關(guān)操作對行李箱進行控制；除此之外，還通過結(jié)合PID、PWM算法控制行李箱驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動方向和速度等方式實現(xiàn)行李箱的智能跟隨及避障功能，但是智能行李箱都不具有穩(wěn)速上下坡的功能，這容易導致行李箱在上下坡時因速度突變而發(fā)生傾倒，不能準確地跟隨避障，該文所述的基于Arduino設(shè)計的一種能夠穩(wěn)速上下坡的自動避障跟隨行李箱能夠利用超聲波模塊、轉(zhuǎn)速傳感器和控制模塊檢形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測箱體運動狀態(tài)的變化并控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使行李箱運行更加平穩(wěn)，跟隨避障功能更加精準。

1 總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該文設(shè)計的能夠穩(wěn)速上下坡的自動避障行李箱由箱體[4]、電源模塊、超聲波模塊、控制模塊和驅(qū)動模塊組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電源模塊安裝在箱體內(nèi)部，且與驅(qū)動電機相連，可以給箱體內(nèi)各個模塊以及部件供電；超聲波模塊包括超聲波發(fā)生器和超聲波接收器，超聲波接受器安裝在箱體外的側(cè)壁上，超聲波發(fā)送器持于行人手中[5]；控制模塊包括主控板和轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器與驅(qū)動電機相連，可以檢測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速[6]，主控板利用差速驅(qū)動原理來控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，從而帶動驅(qū)動輪移動和轉(zhuǎn)向；驅(qū)動模塊包括驅(qū)動輪、驅(qū)動板和驅(qū)動電機，驅(qū)動輪安裝在箱體外底部，且與驅(qū)動電機相連，可以驅(qū)動箱體移動，驅(qū)動電機與驅(qū)動板的輸出端相連，可以為行李箱移動提供動力。

圖1 穩(wěn)速上下坡自動避障行李箱的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 功能設(shè)計

該文采用雙超聲波傳感器實現(xiàn)自動跟隨及避障功能，由于單一超聲波傳感器存在跟蹤準確度不高、靈活性不好、跟蹤距離短以及跟蹤效果差等問題，因此該文選用雙超聲波跟隨模塊有效地避免了上述問題，實現(xiàn)了智能行李箱的自動避障跟隨功能，該文選用的超聲波模塊參數(shù)見表1。超聲波發(fā)送模塊通電后，超聲波發(fā)送模塊上的 LED 燈會有頻率的閃爍，這就證明發(fā)送超聲波模塊已經(jīng)在正常工作了。當超聲波發(fā)送模塊通上電之后，就會與超聲波接收模塊對準，超聲波接收模塊的 LED燈也會有頻率的閃爍。證明此時超聲波接收模塊已經(jīng)可以與超聲波發(fā)送模塊進行通信，并接收超聲波發(fā)送模塊發(fā)射的超聲波，超聲波接收模塊上接收到的數(shù)據(jù)就是超聲波發(fā)送模塊與超聲波接收模塊之間的距離數(shù)據(jù)。假設(shè)超聲波發(fā)送模塊與左右接收模塊之間的距離分別為L1和L2。行李箱在行駛時不斷判斷L1和L2值的大小，并設(shè)定1個“距離死區(qū)”，其目的在于當2個距離值在一個小的可接受值范圍時，行李箱可以停止行駛，在一定程度上避免行李箱出現(xiàn)抖動，并根據(jù)計算出的左、右兩側(cè)傳感器的距離差△L來控制電機的轉(zhuǎn)動。

表1 超聲波收發(fā)模塊

2 應(yīng)用

2.1 自動避障跟隨功能

2.1.1 設(shè)計原理

為了實現(xiàn)自動跟隨及避障功能，在行李箱左前側(cè)和右前側(cè)的位置分別放置1個超聲波接收模塊，并設(shè)計一款超聲波發(fā)送裝置，跟隨過程中超聲波收發(fā)模塊的實物如圖2所示，通信過程如圖3所示。發(fā)送裝置為跟蹤目標，行李箱上2個超聲波接收模塊接收來自超聲波發(fā)送模塊發(fā)射的超聲波，從而判斷跟隨距離；再通過串口將超聲波發(fā)送與接收模塊之間的距離發(fā)給 Arduino[7]單片機主控板，單片機就可以根據(jù)與目標的距離來判斷智能行李箱的姿態(tài)，并通過驅(qū)動直流電機達到自動跟蹤的目的。

圖2 超聲波收發(fā)模塊

圖3 超聲波收發(fā)模塊通信過程

2.1.2 運行過程

在行李箱運行的整個過程中，利用遙控裝置切換自動跟隨以及避障行走模式，通過超聲波接收器和發(fā)射器的相互配合以及差速驅(qū)動來控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)2個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的快慢調(diào)整行李箱的運動方向。當單片機檢測紅外接收裝置接收的遙控器發(fā)送的指令時，會做出自動跟隨或避障行走模式的判斷，如果指令為“避障行走”那么遙控器會控制行李箱的運動；當遙控器的指令為“前進”，那么左、右兩側(cè)電機都向前轉(zhuǎn)動；當遙控器的指令為“后退”，那么左、右兩側(cè)電機都向后轉(zhuǎn)動；當遙控器的指令為“左轉(zhuǎn)”，那么左側(cè)電機向前轉(zhuǎn)動，右側(cè)電機向后轉(zhuǎn)動；當遙控器的指令為“右轉(zhuǎn)”，那么左側(cè)電機向后轉(zhuǎn)動，右側(cè)電機向前轉(zhuǎn)動。

如果指令為“自動跟隨”，那么單片機檢測2個超聲波接收模塊回傳數(shù)據(jù)的幀頭，當出現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的幀頭時，讀取高八位數(shù)據(jù)存儲字節(jié)和低八位數(shù)據(jù)存儲字節(jié)，并按照串口通信協(xié)議解析2個接收模塊的距離值，判斷2個接收模塊的距離值是否在4 cm～400 cm，如果在該數(shù)據(jù)之外都為無效數(shù)據(jù)，那么左、右兩側(cè)電機都停止轉(zhuǎn)動;如果距離值不在4 cm～400 cm，那么該數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

距離值L1、L2都為有效值時，計算左、右兩側(cè)傳感器的距離差△L，并判斷△L是否在“距離死區(qū)”，當△L在“距離死區(qū)”時，行李箱停止前進；當△L不在“距離死區(qū)”時， 判斷△L的值，如果△L＞0，那么控制左側(cè)電機后退，右側(cè)電機前進，最終行李箱向右轉(zhuǎn)，如果△L＜0，那么控制左側(cè)電機前進，右側(cè)電機后退，最終行李箱向左轉(zhuǎn)。

2.2 穩(wěn)速功能

為了實現(xiàn)穩(wěn)速功能，要根據(jù)行李箱配重、路面坡度以及附著系數(shù)計算行李箱的最佳運行速度，在程序中提前為電機設(shè)置好轉(zhuǎn)速變化區(qū)間，驅(qū)動電機開始工作后，轉(zhuǎn)速傳感器開始對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速進行檢測，并將檢測到的轉(zhuǎn)速信息反饋給主控板；當行李箱在平坦路面上行駛時，驅(qū)動電機按照預先設(shè)定好的轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)，當行李箱處于下坡狀態(tài)時，行李箱會在重力的作用下加速運動，此時轉(zhuǎn)速傳感器檢測到加速信號，主控板根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信號對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速做出減速調(diào)整；當行李箱上坡時，行李箱由于克服重力作用，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速變慢，主控板發(fā)出指令，使驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速加快，整個行李箱始終以設(shè)定好的初始移動速度前進，進而達到行李箱穩(wěn)速上下坡的目的。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)行李箱所能夠?qū)崿F(xiàn)的自動跟隨、避障以及穩(wěn)速上下坡的功能，采用Arduino 單片機作為主控板，利用C語言編寫程序，并利用PID[8]進行控制，程序流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 穩(wěn)速控制程序流程圖

圖5 自動跟隨避障原理程序流程圖

行李箱穩(wěn)速行駛功能的流程如下：轉(zhuǎn)速傳感器實時監(jiān)測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，檢測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速是否發(fā)生變化，當行李箱上下坡時轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，此時單片機控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速做出加快或減慢的調(diào)整，保證行李箱的穩(wěn)速運行。

自動跟隨避障功能的原理程序流程如下：通過遙控裝置切換自動跟隨以及避障行走模式，如果是避障行走模式，那么通過遙控裝置的“前進”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”以及“右轉(zhuǎn)”命令控制行李箱的運動；如果是自動跟隨模式，那么需要超聲波收發(fā)模塊的配合作用，先判斷判2個接收模塊的距離值是否在4 cm～400 cm，如果是，就繼續(xù)運行，并判斷不在距離死區(qū)的情況下左、右兩側(cè)傳感器的距離差△L是否大于0，根據(jù)差速轉(zhuǎn)向原理，當△L＞0時，行李箱右轉(zhuǎn)，當△L＜0時，行李箱左轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

基于Arduino設(shè)計的一種穩(wěn)速上下坡的自動跟隨避障行李箱以Arduino 單片機主控板為控制核心，通過雙超聲波跟隨模塊來實現(xiàn)智能行李箱的自動避障跟隨功能，雙超聲波模塊的使用能夠讓行李箱的避障跟隨路線更加精準合理，且操作操作較簡單，技術(shù)容易掌握，可行性高。除此之外，結(jié)合轉(zhuǎn)速傳感器檢測驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，并有控制中心控制電機轉(zhuǎn)速，使行李箱平穩(wěn)運行，有效避免行李箱在上下坡時因突然加速或減速而造成箱體傾倒，進一步擴展了行李箱的功能，滿足人們的出行需求，提升人們的出行質(zhì)量。