新型動力行李箱的設計與實現(xiàn)

董笑天，王駿滕，冉汶洲

（東南大學 成賢學院，江蘇南京，210088）

0 引言

動力行李箱是一種將傳統(tǒng)兩輪拉桿箱或四輪行李箱將箱底的滑輪或者滾輪加裝、改裝動力系統(tǒng)以蓄電池或太陽能以實現(xiàn)自主或輔助動力。現(xiàn)今市面上流行的四輪行李箱在使用中過度的依靠箱桿，在箱體內(nèi)承重較大的情況下，將帶動行李箱的全部力施加在細桿上極易導致箱桿受力不均變形和松動，且在測試中不適合上下坡和地面不平整的路段。并且，使用者也會出現(xiàn)手部難以控制行李箱和酸痛的情況。若配備多種單片機[1]、智能模塊等，成本高昂；自動跟隨行李箱技術仍然不夠成熟，可靠性低；太陽能發(fā)電輔助動力結(jié)構(gòu)設計復雜，耐用性低，且無法控制其助力大小。

基于目前的這些缺點，新型動力行李箱在保留了兩輪行李箱適用性強的優(yōu)點之外，也提高了行李箱的支撐能力并且根據(jù)人力力學的理論合理地設計了電動輪的輔助動力。因此本新型行李箱低成本、結(jié)構(gòu)設計簡單，可大力推廣人們對動力行李箱的使用。

1 設計理念

本新型動力行李箱的設計理念圖如圖1所示。通過箱體，動力輪和拉桿支撐系統(tǒng)所組成的主箱體，構(gòu)成了硬件層面。算法層面的核心是通過Keil5編程的STM32芯片，其可控制電機的開啟與停止，通過內(nèi)置編程芯片以達到算法層面與硬件層面相配合，以達到人機界面的可操作性，優(yōu)質(zhì)的交互性。

圖1 設計理念

人機界面可由通過算法層面控制的硬件層面進行操作達到目的，算法層面與人機界面隔離，與硬件層面的動力輪緊密相關，硬件層面通過搭載芯片，即算法層面，以實現(xiàn)人機界面的操作性。為實現(xiàn)動力行李箱，硬件層面通過CAD制圖技術定制箱體板材。算法層面是基于STM32，使用Keil5進行編程，以達到目的。人機界面使用的技術手段為硬件搭建，并與通過和算法層面相連的硬件層面進行連接，以實現(xiàn)整個設計。

2 箱體的設計要求及其功能描述

■2.1 設計要求

首先，箱體可承重30kg的重量，并且箱體的自重不大于6kg。其次，設計助力電動輪可以滿足不同路段的助力要求，即最低檔速度可達到步行速度（1.2m/s），最高檔速度可以滿足上坡度較大（坡度大于三十度）的斜坡。最后，通過對箱體大小和拉桿長度的調(diào)節(jié)，設計出的行李箱可供身高在150～180+人士使用。另外，在不使用時，箱體的支撐結(jié)構(gòu)可在陡坡上保持平衡不滑動。

■2.2 功能描述

靜止時，轉(zhuǎn)動手柄并通過一系列傳動使支撐柱立起。支撐柱保證行李箱較久放置時的平穩(wěn)支撐。在行李箱移動時，支撐柱進入到收納槽內(nèi)，支撐柱不會碰觸到地面引起摩擦。使用時，若傾角過大（＞45°）電機不助力且輪子產(chǎn)生停止的阻力。傾角較小時，根據(jù)實際路況的需求選擇不同速度擋位，電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)助力。

3 系統(tǒng)整體設計理念

本項目新型動力行李箱所用多項關鍵技術，從基礎的行李箱外殼及整體項目規(guī)劃設計，箱體及電動輪的受力分析；到整體系統(tǒng)的CAD繪制；到電動機驅(qū)動模塊及電動機組成的動力模塊的電磁感應的運用再到對各個芯片的挑選，材料的試驗以及選用；之后到對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電路搭建，再到以Keil5為平臺基于STM32單片機的一系列編程算法的運用；最后到整個行李箱的安裝調(diào)試。項目熟練使用多種技術，力求設計的最優(yōu)解和完善。

■3.1 硬件設計

3.1.1 整體箱體的設計

行李箱后端的中部安裝有固定桿，頂端靠近后側(cè)安裝了提手，除此之外，行李箱還設計有用于驅(qū)動電機的蓄電池及其防護殼、主控芯片、狀態(tài)檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、電機及輪胎和箱體的支撐及輔助結(jié)構(gòu)。其中，蓄電池位于箱體的底座，一側(cè)安裝狀態(tài)檢測模塊，而狀態(tài)檢測模塊的另一側(cè)主控芯片，在主控芯片的另一側(cè)安裝電機驅(qū)動模塊，電動輪安裝在行李箱前端的底部，其底部中間及另一側(cè)設置有支撐結(jié)構(gòu)方便使用。

3.1.2 箱體及其支撐結(jié)構(gòu)概述

箱體的內(nèi)部材料選擇為高強度亞克力薄板，兼顧輕便和結(jié)實可靠的優(yōu)點。且具有一定的防水性。其中長寬高為34cm×30cm×60cm，凈長寬高34cm×32cm×60cm。箱體大小適中，能夠承載較重物品，箱體的延展性較好，抗顛簸能力與適用性強。箱體底部安裝有支撐結(jié)構(gòu)，前端的伸縮拉桿長度約為1m。

3.1.3 箱體部分的介紹

行李箱前端的中部設置了拉桿；頂端靠近后側(cè)設置提手，箱體內(nèi)部設計有防護殼、蓄電池、狀態(tài)檢測模塊、主控芯片、電機驅(qū)動模塊、電動輪和支撐機構(gòu)，箱體內(nèi)側(cè)的底部設置有防護殼，防護殼的內(nèi)部安裝有蓄電池，蓄電池的一側(cè)由XH2.54線引出并連接到由狀態(tài)檢測模塊，主控芯片，電機驅(qū)動等模塊組成的芯片板上。此外芯片板通過定制有1m長的XH2.54線連接到拉桿頂部及電動輪底部。從底部觀察，電動輪對稱地安裝在行李箱前端的底部，其底端設置有支撐機構(gòu)。

3.1.4 支撐部分部件的介紹

支撐機構(gòu)包括第一固定塊、蝸桿、第一軸承、手柄、第二固定塊、轉(zhuǎn)桿、第二軸承、斜齒輪、支撐柱和收納槽。第一固定塊對稱固定在箱體底端的中部，其中部安裝有蝸桿，其一端安裝有手柄[2]。箱體后端的底部對稱安裝有第二固定塊，固定塊的中部安裝有轉(zhuǎn)桿，轉(zhuǎn)桿的中部設置有與蝸桿嚙合連接的斜齒輪，轉(zhuǎn)桿靠近兩端位置處安裝有支撐柱。正常使用時支撐柱收于收納槽內(nèi)，而停止使用時，箱體可站立并保持平衡。

3.1.5 支撐裝置的工作流程

手柄的轉(zhuǎn)動帶動著蝸桿的轉(zhuǎn)動，因蝸桿轉(zhuǎn)動而引起斜齒輪轉(zhuǎn)動，在斜齒輪轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)桿隨之轉(zhuǎn)動，最終通過轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)動將支撐柱由收納槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)出來，并且轉(zhuǎn)至豎直方向。即可通過支撐柱進行支撐，保持行李箱較久放置時的平穩(wěn)支撐，不需要支撐時，支撐柱進入到收納槽內(nèi)，在行李箱移動時，支撐柱不會碰觸到地面引起摩擦。

3.1.6 支撐結(jié)構(gòu)安裝說明

（1）為確保使用者在轉(zhuǎn)動手柄時蝸桿在維度上為平行于箱底的螺旋進出，蝸桿套入第一軸承后，與第一固定塊連接，第一固定塊可確保軸承垂直于行李箱底板，即進而確保蝸桿可以平行于行李箱的底板的方向上旋轉(zhuǎn)進出。

同理轉(zhuǎn)桿通過第二軸承與第二固定塊連接，第二固定塊可確保軸承垂直于行李箱底板，保證轉(zhuǎn)桿同樣平行于箱體底板旋轉(zhuǎn)進出。

（2）防止支撐柱在新型行李箱使用時收納不便，在第二固定塊一側(cè)對應的支撐柱位置處開設收納槽，便于支撐柱的收納。見圖2，圖3。

圖2 行李箱側(cè)視圖

圖3 行李箱仰視圖

■3.2 硬件電路設計

動力行李箱的電氣控制部分是由電源模塊，主控模塊，狀態(tài)檢測模塊，電機驅(qū)動模塊，以及電機電動輪五個部分組成，如圖4所示。

圖4 整體電路設計

結(jié)合狀態(tài)檢測模塊所檢測的數(shù)據(jù)與主控模塊的算法，獲得了實時的行李箱的箱體傾斜角度信息與電機轉(zhuǎn)速信息，采用STM32的TIM定時器算法通過PWM波[3]來控制電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行李箱的三檔按鍵調(diào)速助力，MPU6050的傾角檢測實現(xiàn)電機停轉(zhuǎn)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2.1 主控模塊

主控芯片選用STM32F103C8T6。其具有性價比高、低功耗等優(yōu)勢。擁有37個GPIO，2個12bitADC共12路通道，4個16bit定時器，2個看門狗定時器，2個I2C通信串口等，其本項目著重使用其定時器、計數(shù)器功能，用以產(chǎn)生PWM波傳出給A4950電機驅(qū)動模塊用以控制電機轉(zhuǎn)速。

3.2.2 狀態(tài)檢測模塊

該狀態(tài)檢測模塊選用了GY-521MPU-6050。其內(nèi)部集成了六軸傳感器的運動處理組件，即內(nèi)置了三軸MEMS陀螺儀，三軸MEMS加速度傳感器和DMP[4]?？筛袘猉、Y、Z三個方向的加速度和X、Y、Z方向的角速度。工作電流為5mA，待機電流為5A，加速器工作電流為500A。如圖6所示。

圖6 狀態(tài)檢測模塊

3.2.3 電機驅(qū)動模塊

本驅(qū)動模塊采用的是A4950單H橋電機驅(qū)動芯片，可以控制兩個直流電機。驅(qū)動電壓8～4V，輸出最大電流可達到3.5A。

芯片內(nèi)MOS管的柵極為高電平時導通，低電平時截止。當H橋斜對角的兩個MOS管的柵極為高電平，另外兩個MOS管的柵極為低電平時，電機正向旋轉(zhuǎn)。反之，電機反轉(zhuǎn)。本項目的電機都為正轉(zhuǎn)。驅(qū)動電壓與轉(zhuǎn)速成正比，電流與扭矩成正比。當扭矩小于負載時，電機轉(zhuǎn)速下降而為了補償扭矩的降低，電流會上升。當行李箱內(nèi)負載較大的時候，電機有可能產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，而A4950內(nèi)置的過流保護、過溫保護、短路保護可以及時做出反應，避免芯片、電機的燒毀。如圖7所示。

圖7 電機驅(qū)動模塊

3.2.4 電機及電動輪模塊

本模塊減速電機帶霍爾編碼器[5]，輸出D軸4mm，配套4mm軸聯(lián)器。工作電壓為6～24VDC，其額定電壓為12V，重量為93g。采用定時器的編碼器模式，很大程度上節(jié)省了資源。

優(yōu)選的電動輪為65mm海綿內(nèi)膽車輪配備11CPR霍爾AB兩相編碼器，檢測輸出若干脈沖信號，一般輸出AB兩相存在一定相位差的方波信號，減速后輸出單圈374個正交脈沖，CNC定制1.5mm玻纖高強度主板，3mm鋁合金沖壓一體成型電機安裝座。此定制電動輪較為輕便，且可承受較大重量。

■3.3 軟件設計

主程序的流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

MPU6050初始化IIC總線，復位，喚醒MPU6050，初始化陀螺儀與加速度檢測器，設置采樣速率為50Hz，關閉所有中斷，關閉FIFO，INT引腳低電平有效。設置陀螺儀傳感器滿量程范圍，獲得傾斜角度原始數(shù)據(jù)，發(fā)送器件地址，發(fā)送數(shù)據(jù)。

STM32，默認開始上報，定義傾斜角等原始數(shù)據(jù)，串口初始化，不分頻，初始化硬件接口，初始化PMU6050。獲得從陀螺發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并通過計算得到實時的箱體傾斜角度。此外，初始化，TIM時鐘，使用TIM2和TIM3時鐘，對PWM波進行控制調(diào)整，使電機產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速，以達到速度分檔。

情況1：若傾斜角小于45°，按下哪個擋位按鍵，則哪個擋位開關置1。STM32根據(jù)擋位要求，調(diào)整不同PWM波占空比。最低速度擋位占空比30%，中間速度擋位占空比50%，最高速度擋位占空比80%。停轉(zhuǎn)則全占空比。根據(jù)不同PWM波占空比，電機產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。

情況2：若箱體靜止時傾斜角已大于45°，則STM32控制電機驅(qū)動置0，占空比0%，電機無法啟動。

情況3：若箱體在運行時，發(fā)生意外導致傾斜角大于45°，則占空比立刻達到0%，電機停轉(zhuǎn)。

4實際運行情況

■4.1 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)STM32控制的三檔速度選擇與MPU6050的傾斜角度測量，以下是實驗人員實際多次拉動本項目行李箱時所測得的平均數(shù)據(jù)。如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

■4.2 標準實現(xiàn)

根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)，三檔速度分別約為1.6m/s，1.9m/s，和2.1m/s。由表1數(shù)據(jù)可看出行李箱的動力系統(tǒng)提供了一定客觀的助力，使得實驗者使用同樣力氣拉動行李箱前行100米時，從低到高的檔位都使行走時間減少。最低速度檔位用于慢速行走，中等速度檔位用于一般人行走速度，高速檔位用于快速行走，上坡或不平整的粗糙路面。此外，當行李箱發(fā)生意外導致脫手或者傾覆時，電機也及時停轉(zhuǎn)，防止了堵轉(zhuǎn)。滿足了不同人群對助力速度的需求，也兼顧了安全性，達到標準。

從支撐能力考慮，在三十度坡面上承重30kg的重量可以保持靜止。從承重情況測試，箱體可以承受40kg的重量，達到預期標準。最后，電池續(xù)航能力較好，可以保證連續(xù)五個小時的驅(qū)動，達到動力行李箱的使用需求?？傮w上達到了預期標準。

5 結(jié)束語

在如今的信息化智能化時代，亟須將傳統(tǒng)的行李箱進行智能化、自動化管理。本文設計了新型動力行李箱，對系統(tǒng)的硬件搭建和軟件編程方面進行了深入研究設計。該新型行李箱可有效減小攜帶行李箱出行時的負擔。促進了智能行李箱的推廣。本設計可能存在的不足之處可能在于：

（1）受驅(qū)動芯片所限制，驅(qū)動電流達不到較高的如幾十安培甚至更高的電機堵轉(zhuǎn)電流值，導致驅(qū)動損耗大，不穩(wěn)定。若采取電橋驅(qū)動和MOS管組合以自行搭建H橋可增大穩(wěn)定度，增強驅(qū)動力。在于蓄電池的續(xù)航能力與整個箱體的可靠性與穩(wěn)固性，（2）電源的續(xù)航能力以及電動輪的輕便程度和靈活性。

同時本設計也為今后行李箱與電動輪結(jié)合的設計、行李箱與人工智能的結(jié)合等提供了思路，對于新型動力行李箱的未來發(fā)展方向而言，可向箱體的智能化進行發(fā)展，借鑒于當今的無人汽車駕駛技術，提升自動跟隨能力以及對路面信息識別、建模的能力。也可向環(huán)保性的方向進行研究，如現(xiàn)今電動汽車、電動自行車的電能回收系統(tǒng)。更可以在研究箱體材料方面等方向進行更加深入的優(yōu)化與研究。