新型動(dòng)力行李箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董笑天，王駿滕，冉汶洲

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院，江蘇南京，210088）

0 引言

動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)以蓄電池或太陽(yáng)能以實(shí)現(xiàn)自主或輔助動(dòng)力。現(xiàn)今市面上流行的四輪行李箱在使用中過(guò)度的依靠箱桿，在箱體內(nèi)承重較大的情況下，將帶動(dòng)行李箱的全部力施加在細(xì)桿上極易導(dǎo)致箱桿受力不均變形和松動(dòng)，且在測(cè)試中不適合上下坡和地面不平整的路段。并且，使用者也會(huì)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(jī)[1]、智能模塊等，成本高昂；自動(dòng)跟隨行李箱技術(shù)仍然不夠成熟，可靠性低；太陽(yáng)能發(fā)電輔助動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，耐用性低，且無(wú)法控制其助力大小。

基于目前的這些缺點(diǎn)，新型動(dòng)力行李箱在保留了兩輪行李箱適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)之外，也提高了行李箱的支撐能力并且根據(jù)人力力學(xué)的理論合理地設(shè)計(jì)了電動(dòng)輪的輔助動(dòng)力。因此本新型行李箱低成本、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可大力推廣人們對(duì)動(dòng)力行李箱的使用。

1 設(shè)計(jì)理念

本新型動(dòng)力行李箱的設(shè)計(jì)理念圖如圖1所示。通過(guò)箱體，動(dòng)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(guò)Keil5編程的STM32芯片，其可控制電機(jī)的開啟與停止，通過(guò)內(nèi)置編程芯片以達(dá)到算法層面與硬件層面相配合，以達(dá)到人機(jī)界面的可操作性，優(yōu)質(zhì)的交互性。

圖1 設(shè)計(jì)理念

人機(jī)界面可由通過(guò)算法層面控制的硬件層面進(jìn)行操作達(dá)到目的，算法層面與人機(jī)界面隔離，與硬件層面的動(dòng)力輪緊密相關(guān)，硬件層面通過(guò)搭載芯片，即算法層面，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的操作性。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力行李箱，硬件層面通過(guò)CAD制圖技術(shù)定制箱體板材。算法層面是基于STM32，使用Keil5進(jìn)行編程，以達(dá)到目的。人機(jī)界面使用的技術(shù)手段為硬件搭建，并與通過(guò)和算法層面相連的硬件層面進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)。

2 箱體的設(shè)計(jì)要求及其功能描述

■2.1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)助力電動(dòng)輪可以滿足不同路段的助力要求，即最低檔速度可達(dá)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(guò)對(duì)箱體大小和拉桿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)出的行李箱可供身高在150～180+人士使用。另外，在不使用時(shí)，箱體的支撐結(jié)構(gòu)可在陡坡上保持平衡不滑動(dòng)。

■2.2 功能描述

靜止時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄并通過(guò)一系列傳動(dòng)使支撐柱立起。支撐柱保證行李箱較久放置時(shí)的平穩(wěn)支撐。在行李箱移動(dòng)時(shí)，支撐柱進(jìn)入到收納槽內(nèi)，支撐柱不會(huì)碰觸到地面引起摩擦。使用時(shí)，若傾角過(guò)大（＞45°）電機(jī)不助力且輪子產(chǎn)生停止的阻力。傾角較小時(shí)，根據(jù)實(shí)際路況的需求選擇不同速度擋位，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)助力。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)理念

本項(xiàng)目新型動(dòng)力行李箱所用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，從基礎(chǔ)的行李箱外殼及整體項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)，箱體及電動(dòng)輪的受力分析；到整體系統(tǒng)的CAD繪制；到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電動(dòng)機(jī)組成的動(dòng)力模塊的電磁感應(yīng)的運(yùn)用再到對(duì)各個(gè)芯片的挑選，材料的試驗(yàn)以及選用；之后到對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電路搭建，再到以Keil5為平臺(tái)基于STM32單片機(jī)的一系列編程算法的運(yùn)用；最后到整個(gè)行李箱的安裝調(diào)試。項(xiàng)目熟練使用多種技術(shù)，力求設(shè)計(jì)的最優(yōu)解和完善。

■3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 整體箱體的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)有用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的蓄電池及其防護(hù)殼、主控芯片、狀態(tài)檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)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(cè)模塊，而狀態(tài)檢測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電動(dòng)輪安裝在行李箱前端的底部，其底部中間及另一側(cè)設(shè)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(qiáng)度亞克力薄板，兼顧輕便和結(jié)實(shí)可靠的優(yōu)點(diǎn)。且具有一定的防水性。其中長(zhǎng)寬高為34cm×30cm×60cm，凈長(zhǎng)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(qiáng)。箱體底部安裝有支撐結(jié)構(gòu)，前端的伸縮拉桿長(zhǎng)度約為1m。

3.1.3 箱體部分的介紹

行李箱前端的中部設(shè)置了拉桿；頂端靠近后側(cè)設(shè)置提手，箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)有防護(hù)殼、蓄電池、狀態(tài)檢測(cè)模塊、主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電動(dòng)輪和支撐機(jī)構(gòu)，箱體內(nèi)側(cè)的底部設(shè)置有防護(hù)殼，防護(hù)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(cè)模塊，主控芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊組成的芯片板上。此外芯片板通過(guò)定制有1m長(zhǎng)的XH2.54線連接到拉桿頂部及電動(dòng)輪底部。從底部觀察，電動(dòng)輪對(duì)稱地安裝在行李箱前端的底部，其底端設(shè)置有支撐機(jī)構(gòu)。

3.1.4 支撐部分部件的介紹

支撐機(jī)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(duì)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(duì)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(shè)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(shí)支撐柱收于收納槽內(nèi)，而停止使用時(shí)，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(dòng)帶動(dòng)著蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，因蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)而引起斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)桿隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，最終通過(guò)轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)將支撐柱由收納槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)出來(lái)，并且轉(zhuǎn)至豎直方向。即可通過(guò)支撐柱進(jìn)行支撐，保持行李箱較久放置時(shí)的平穩(wěn)支撐，不需要支撐時(shí)，支撐柱進(jìn)入到收納槽內(nèi)，在行李箱移動(dòng)時(shí)，支撐柱不會(huì)碰觸到地面引起摩擦。

3.1.6 支撐結(jié)構(gòu)安裝說(shuō)明

（1）為確保使用者在轉(zhuǎn)動(dòng)手柄時(shí)蝸桿在維度上為平行于箱底的螺旋進(jìn)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(jìn)而確保蝸桿可以平行于行李箱的底板的方向上旋轉(zhuǎn)進(jìn)出。

同理轉(zhuǎn)桿通過(guò)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(jìn)出。

（2）防止支撐柱在新型行李箱使用時(shí)收納不便，在第二固定塊一側(cè)對(duì)應(yīng)的支撐柱位置處開設(shè)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(shè)計(jì)

動(dòng)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(cè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以及電機(jī)電動(dòng)輪五個(gè)部分組成，如圖4所示。

圖4 整體電路設(shè)計(jì)

結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)模塊所檢測(cè)的數(shù)據(jù)與主控模塊的算法，獲得了實(shí)時(shí)的行李箱的箱體傾斜角度信息與電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，采用STM32的TIM定時(shí)器算法通過(guò)PWM波[3]來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行李箱的三檔按鍵調(diào)速助力，MPU6050的傾角檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jià)比高、低功耗等優(yōu)勢(shì)。擁有37個(gè)GPIO，2個(gè)12bitADC共12路通道，4個(gè)16bit定時(shí)器，2個(gè)看門狗定時(shí)器，2個(gè)I2C通信串口等，其本項(xiàng)目著重使用其定時(shí)器、計(jì)數(shù)器功能，用以產(chǎn)生PWM波傳出給A4950電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2.2 狀態(tài)檢測(cè)模塊

該狀態(tài)檢測(cè)模塊選用了GY-521MPU-6050。其內(nèi)部集成了六軸傳感器的運(yùn)動(dòng)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?yīng)X、Y、Z三個(gè)方向的加速度和X、Y、Z方向的角速度。工作電流為5mA，待機(jī)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(cè)模塊

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本驅(qū)動(dòng)模塊采用的是A4950單H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以控制兩個(gè)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電壓8～4V，輸出最大電流可達(dá)到3.5A。

芯片內(nèi)MOS管的柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)截止。當(dāng)H橋斜對(duì)角的兩個(gè)MOS管的柵極為高電平，另外兩個(gè)MOS管的柵極為低電平時(shí)，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。本項(xiàng)目的電機(jī)都為正轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)速成正比，電流與扭矩成正比。當(dāng)扭矩小于負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而為了補(bǔ)償扭矩的降低，電流會(huì)上升。當(dāng)行李箱內(nèi)負(fù)載較大的時(shí)候，電機(jī)有可能產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，而A4950內(nèi)置的過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)可以及時(shí)做出反應(yīng)，避免芯片、電機(jī)的燒毀。如圖7所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

3.2.4 電機(jī)及電動(dòng)輪模塊

本模塊減速電機(jī)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(shí)器的編碼器模式，很大程度上節(jié)省了資源。

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

■3.3 軟件設(shè)計(jì)

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(fù)位，喚醒MPU6050，初始化陀螺儀與加速度檢測(cè)器，設(shè)置采樣速率為50Hz，關(guān)閉所有中斷，關(guān)閉FIFO，INT引腳低電平有效。設(shè)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(rèn)開始上報(bào)，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(guò)計(jì)算得到實(shí)時(shí)的箱體傾斜角度。此外，初始化，TIM時(shí)鐘，使用TIM2和TIM3時(shí)鐘，對(duì)PWM波進(jìn)行控制調(diào)整，使電機(jī)產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速，以達(dá)到速度分檔。

情況1：若傾斜角小于45°，按下哪個(gè)擋位按鍵，則哪個(gè)擋位開關(guān)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(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。

情況2：若箱體靜止時(shí)傾斜角已大于45°，則STM32控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)置0，占空比0%，電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。

情況3：若箱體在運(yùn)行時(shí)，發(fā)生意外導(dǎo)致傾斜角大于45°，則占空比立刻達(dá)到0%，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

4實(shí)際運(yùn)行情況

■4.1 測(cè)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(cè)量，以下是實(shí)驗(yàn)人員實(shí)際多次拉動(dòng)本項(xiàng)目行李箱時(shí)所測(cè)得的平均數(shù)據(jù)。如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

■4.2 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(dòng)力系統(tǒng)提供了一定客觀的助力，使得實(shí)驗(yàn)者使用同樣力氣拉動(dòng)行李箱前行100米時(shí)，從低到高的檔位都使行走時(shí)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(dāng)行李箱發(fā)生意外導(dǎo)致脫手或者傾覆時(shí)，電機(jī)也及時(shí)停轉(zhuǎn)，防止了堵轉(zhuǎn)。滿足了不同人群對(duì)助力速度的需求，也兼顧了安全性，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

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(cè)試，箱體可以承受40kg的重量，達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。最后，電池續(xù)航能力較好，可以保證連續(xù)五個(gè)小時(shí)的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)力行李箱的使用需求。總體上達(dá)到了預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在如今的信息化智能化時(shí)代，亟須將傳統(tǒng)的行李箱進(jìn)行智能化、自動(dòng)化管理。本文設(shè)計(jì)了新型動(dòng)力行李箱，對(duì)系統(tǒng)的硬件搭建和軟件編程方面進(jìn)行了深入研究設(shè)計(jì)。該新型行李箱可有效減小攜帶行李箱出行時(shí)的負(fù)擔(dān)。促進(jìn)了智能行李箱的推廣。本設(shè)計(jì)可能存在的不足之處可能在于：

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

同時(shí)本設(shè)計(jì)也為今后行李箱與電動(dòng)輪結(jié)合的設(shè)計(jì)、行李箱與人工智能的結(jié)合等提供了思路，對(duì)于新型動(dòng)力行李箱的未來(lái)發(fā)展方向而言，可向箱體的智能化進(jìn)行發(fā)展，借鑒于當(dāng)今的無(wú)人汽車駕駛技術(shù)，提升自動(dòng)跟隨能力以及對(duì)路面信息識(shí)別、建模的能力。也可向環(huán)保性的方向進(jìn)行研究，如現(xiàn)今電動(dòng)汽車、電動(dòng)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(jìn)行更加深入的優(yōu)化與研究。