基于STM32單片機的智能行李箱設(shè)計和實現(xiàn)

姚佳逸，朱海霞，傅忠云，郭鑫宸

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

隨著時代發(fā)展，交通手段日漸發(fā)達(dá)，人們?nèi)粘３鲂械木嚯x和次數(shù)增多起來，在生活 中，沉重的行李箱在上樓梯是也是一大阻礙，針對各種物體的上樓梯的設(shè)計也是層出不窮，王濤等［1］研究分析了星輪在輪椅上梯方面的可行性，設(shè)計的星輪結(jié)構(gòu)能夠在爬樓時不發(fā)生傾翻，具有乘坐安全和爬樓穩(wěn)定的優(yōu)點。同時，對于智能行李箱所必需的定位和判斷技術(shù)也日漸發(fā)達(dá)。田宇沃等［2］基于OpenCV的智能行李箱設(shè)計以傳統(tǒng)的行李箱為模型進(jìn)行了優(yōu)化，通過攝像頭從外界獲取圖像，通過設(shè)計與控制使行李箱更加的穩(wěn)定安全，并且更具有市場應(yīng)用價值。本文基于用戶對于身邊物品智能化、聯(lián)網(wǎng)化的需求，設(shè)計了基于STM32的智能行李箱，其集成了UWB模塊、電機驅(qū)動模塊等，能夠有效減輕用戶的負(fù)擔(dān)。行李箱包括了電機驅(qū)動電路、STM32控制電路、UWB模塊電路等。為STM32單片機和UWB技術(shù)在實際生活的應(yīng)用提供了參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能行李箱的系統(tǒng)如圖1所示，主要是由行李箱上的控制系統(tǒng)和用戶攜帶的UWB發(fā)射模塊構(gòu)成。行李箱以STM32單片機為主控，包括了電機驅(qū)動電路、STM32控制電路、UWB模塊電路等。在軟件上，可以分區(qū)塊、模塊化的編寫程序，其中包括電機控制程序、初始化子程序、SPI通訊程序。UWB模塊是基于DWM1000模塊自主設(shè)計的拓展板，控制系統(tǒng)選用STM32F103。智能行李箱的控制流程如下，由用戶UWB發(fā)射模塊發(fā)射信號，基站0和基站1接收到信號后，將時延數(shù)據(jù)傳輸給STM32的控制板，控制板將時延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成距離信息，濾波后計算得出位置信息和角度信息。之后STM32控制板通過PID控制，調(diào)整行李箱的朝向和速度，使其自動跟隨使用者。

圖1 智能行李箱系統(tǒng)

2 行李箱控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括MCU主控單元、電源管理單元、電機驅(qū)動單元和基站通訊模塊等。

MCU主控單元為系統(tǒng)硬件電路的核心，由基于Cortex-M3開發(fā)的STM32F103及其最小系統(tǒng)構(gòu)成，具有控制UWB基站、電機驅(qū)動單元、陀螺儀單元等外圍設(shè)備的功能，從而實現(xiàn)智能人性化的功能。電源管理模塊主要由LM2596降壓穩(wěn)壓芯片設(shè)計而成的開關(guān)電源和AMS11717組成的線性穩(wěn)壓電源組成，電路原理如圖2所示。電源輸入由行李箱的12 V電池提供，經(jīng)DCDC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后輸出5 V供電，經(jīng)AMS1117芯片線性穩(wěn)壓后輸出3 V供電，為MCU、UWB基站和陀螺儀等供電。

圖2 電源管理模塊原理

電機驅(qū)動模塊采用低電阻大電流大功率的TPH1R403NL MOS管組成雙H橋驅(qū)動電機，原理如圖3所示。H橋驅(qū)動電機的方式是通過控制H橋的上下MOS管的導(dǎo)通實現(xiàn)的。首先，左半H橋上管的柵極被驅(qū)動芯片拉高至導(dǎo)通電壓，隨后左半橋上管導(dǎo)通，與此同時，右半H橋下管的被電機驅(qū)動芯片拉高至導(dǎo)通，此時，VM和GND之間經(jīng)由電機(可被視作電感）導(dǎo)通，形成極大的導(dǎo)通電流，驅(qū)動電機正向運行，隨后電機驅(qū)動芯片將左上管的柵極拉低，避免左半橋的上下半橋?qū)ㄐ纬删薮蟮亩搪冯娏鳠龤OS管。最后，拉低右半橋的下管，結(jié)束一個周期的工作。

圖3 電機驅(qū)動電路

陀螺儀模塊由MPU6050芯片及其外圍電路組成，STM32單片機通過IIC總線讀取MPU6050獲取的數(shù)據(jù)，濾波后通過PID算法控制智能行李箱的姿態(tài)［4］。

3 UWB定位測距功能設(shè)計

基于UWB定位測距模塊的性能需求，行李箱采用了STM32F103作為核心控制芯片和處理芯片，并且根據(jù)智能行李箱的功能需求，將UWB模塊的所獲取的時延信息轉(zhuǎn)換成距離數(shù)據(jù)，通過SPI總線與單片機通信，由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

本設(shè)計利用UWB定位主要使用的是TOA(Time of Arrival）定位方法［3］，TOA是一種雙向測距，主流TOA測距中有兩種不同的方法，分別是SS-TWR(Sing Side-Two Way Ranging）和DS-TWR(Double Side-Two Way Ranging），飛行時間乘以光速即為兩個設(shè)備間的距離。由于設(shè)備之間使用的是獨立的時鐘源，具有一定的誤差，而SS-TWR無法避免這種誤差，所以本文采用改進(jìn)的DS-TWR測距方式。DS-TWR是基于SS-TWR之上增加了一次通信，最大的測距誤差僅在毫米級別，測距流程如圖4所示。

圖4 DS-TWR測距流程

根據(jù)這個流程，DS-TWR的距離公式為：

rud1＝rpy1＋2prp；

rud2＝rpy2＋2prp；

rud1＝4－1

rud2＝6－3

最終得出：

prp＝(4－1－3＋2）／2

prp＝(6－3－5＋4）／2

4 測距數(shù)據(jù)的處理，以及角度信息的計算

在定位系統(tǒng)獲取完距離數(shù)據(jù)之后，就可以獲得基站0和基站1分別與標(biāo)簽之間的距離，本文采用了中值濾波的方式，多次采樣距離數(shù)據(jù)，得出濾波后的距離數(shù)據(jù)，減少了誤差和干擾但濾波的數(shù)據(jù)量不宜太多，否則會造成行李箱的反應(yīng)遲緩。

如圖5所示，測距完成之后可以獲知，基站0、基站1與標(biāo)簽之間的距離，由于基站0和基站1之間的距離是固定的，通過余弦定理和反三角函數(shù)就可以求出以基站為頂點，ac為邊的角度，求補角既可以獲取行李箱和用戶的角度信息。

圖5 通過距離數(shù)據(jù)獲得方位示意

5 行李箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計考慮到用戶的需求，采用了履帶結(jié)構(gòu)，增強了行李箱的爬梯能力，同時，針對一些坡度過大的樓梯，或者樓梯過于陡峭，可以采用了三星輪的結(jié)構(gòu)，能夠在行李箱無法自動爬梯的情況下讓用戶自己拉拽行李箱，同時，履帶結(jié)構(gòu)也可以幫助用戶拖拽(見圖6）。

圖6 行李箱實際結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

本設(shè)計以STM32F103微控制器為核心，結(jié)合UWB測距技術(shù)，設(shè)計了一種智能跟蹤的行李箱。行李箱能夠自動跟隨用戶，減少了用戶拖拽的壓力，同時，輔助上樓梯的裝置也減少了用戶爬梯的困難。該行李箱具有良好的便攜性和智能性，大大減少了外出所帶來的行李麻煩。