一种具有自主跟随避障功能的行李箱的制作方法

本实用新型涉及一种行李箱，特别是涉及一种具有自主跟随避障功能的行李箱。

背景技术：

近年来，传统行业正在越来越多的被来自互联网和智能概念渗透，物联网和智能硬件设备正走入寻常消费者生活的方方面面。智能行李箱作为行李箱行业的最新细分领域已经开始在电子消费品市场和传统行李箱市场逐渐兴起。

目前智能行李箱具备的主要功能有GPS定位，充电、承重等等，同时也出现了具有自动跟随功能的行李箱。现有的自动跟随功能的行李箱采用的定位方式为GPS定位或视觉定位，其中，GPS定位方式的定位精度较差，而且不适用于室内环境，视觉定位方式受到光线、物体颜色的影响，且在角度方面存在限制。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有自主跟随避障功能的行李箱，能够提高定位精度，且在跟随时能够自动避障。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有自主跟随避障功能的行李箱，包括箱体和随身控制器，所述箱体底部设置有轮子，所述箱体上还设置有定位接收模块、运动控制模块、避障模块和驱动模块，所述随身控制器用于发出定位信号，所述定位接收模块用于接收所述定位信号，所述驱动模块与所述轮子相连，所述运动控制模块用于根据定位接收模块接收到的信号对所述随身控制器进行定位，并根据定位结果控制所述驱动模块带动轮子转动，使得所述箱体自动跟随所述随身控制器移动；所述避障模块用于检测箱体行进的方向上是否存在障碍物，若存在障碍物，所述运动控制模块控制所述驱动模块带动轮子进行转向以避开所述障碍物。

所述随身控制器上设置有超声波发射模块和第一无线信号传输模块，所述超声波发射模块用于发出超声波定位信号，所述第一无线信号传输模块用于接收无线触发信号触发所述超声波发射模块工作，并发出无线同步信号以实现超声波发射模块与定位模块的数据同步。

所述超声波发射模块采用半平面全覆盖的组合方式发出超声波信号，覆盖范围达180-260度。

所述超声波发射模块包括多个超声波发射器，所述多个超声波发射器两两之间的中轴线夹角为40°～80°，且多个超声波发射器依次序发出超声波信号。当上述的相邻二个超声波发射器的中心轴的轴线不在同一平面内时，其夹角按其中一根中心轴线向另一根中心轴线所在平面投影后所得到的夹角计算得到。

所述随身控制器还设置有报警模块，所述第一无线信号传输模块还用于接收所述箱体发出的定位结果，所述随身控制器将收到的定位结果与定位阈值比较，当定位结果超过定位阈值时，控制所述报警模块进行报警。

所述定位接收模块包括多个超声波接收器，所述多个超声波接收器位于箱体外表面上，并且每两个超声波接收器组成一组，每组的两个超声波接收器的连线相互平行。值得一提的是，当超声波接收器为奇数个时，多出的一个超声波接收器可以放置子箱体的外表面的正中间位置。

所述定位接收模块还包括第二无线信号传输模块，所述第二无线信号传输模块用于接收无线同步信号，以及向所述随身控制器发出控制指令，控制所述随身控制器发出定位信号。

所述避障模块为安装在箱体底部的第一红外测距传感器，所述第一红外测距传感器发出的红外线指向箱体前进方向的正前方以检测箱体前件方向的障碍物。

所述避障模块为安装在箱体底部的第二红外测距传感器，所述第二红外测距传感器发出的红外线指向箱体前进方向的斜下方以检测箱体前件方向地面的凹凸信息。

所述运动控制模块包括定位计算单元、第一运动控制单元、避障接收单元和第二运动控制单元，所述定位计算单元根据收到的定位信号对随身控制器进行定位，所述第一运动控制单元在定位结果超过移动阈值时，控制所述驱动模块对得所述箱体底部的轮子进行差动控制，从而实现箱体的转向和前后运动；所述避障接收单元用于接收避障模块发出的避障信号，所述第二运动控制单元对避障接收单元收到的避障信号进行判断，并根据判断结果控制所述驱动模块对得所述箱体底部的轮子进行差动控制或刹车控制，从而实现箱体的转向或停止。

所述驱动模块包括相互连接电机和编码器，所述编码器还与运动控制模块相连，用于响应运动控制模块发出的控制指令，所述电机的输出轴与轮子相连。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型通过箱体上设置的定位装置对随身控制器进行定位，通过测定随身控制器的位置来确定用户的位置，利用控制装置通过对驱动装置发出指令，保持箱体与用户的相对距离保持在一定距离内，省去了用户对于箱体的手动拖动。同时箱体上还设置有避障处理模块来实现自动避障功能。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中超声波发射模块一种实施例的示意图；

图3是本实用新型中超声波发射模块另一种实施例的示意图；

图4是本实用新型中超声波发射模块另一种实施例的示意图；

图5是本实用新型中运动控制模块的结构示意图；

图6是本实用新型的定位计算的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种具有自主跟随避障功能的行李箱，如图1所示，包括箱体和随身控制器，所述箱体底部设置有轮子，所述箱体上还设置有定位接收模块、运动控制模块、避障模块和驱动模块，所述随身控制器用于发出定位信号，所述定位接收模块用于接收所述定位信号，所述驱动模块与所述轮子相连，所述运动控制模块用于根据定位接收模块接收到的信号对所述随身控制器进行定位，并根据定位结果控制所述驱动模块带动轮子转动，使得所述箱体自动跟随所述随身控制器移动；所述避障模块用于检测箱体行进的方向上是否存在障碍物，若存在障碍物，所述运动控制模块控制所述驱动模块带动轮子进行转向以避开所述障碍物。

本实施方式中，随身控制器上设置有超声波发射模块和第一无线信号传输模块，所述超声波发射模块用于发出超声波定位信号，所述第一无线信号传输模块用于接收无线触发信号触发所述超声波发射模块工作，并发出无线同步信号以实现超声波发射模块与定位模块的数据同步。随身控制器可以使用聚合物锂电池进行供电，其电压为3.3V，可制成手环等可穿戴式设备。第一无线信号传输模块可以为wifi模块，zigbee模块或Bluetooth模块，本实施方式中第一无线信号传输模块采用CC2530芯片。

超声波发射器的发射锥角一般在60-70度左右，在距离2-3米外，发射信号的水平覆盖范围约1.4-2.1米，这就意味着当2-3米外的接收传感器一旦超出此覆盖范围将无法接收到发射信号从而导致定位失败。而在某些应用场景中，携带有超声波发射模块的被定位对象在运动过程中常常会发生摇晃、颠簸等情况，从而使得发射器无法总是对准接收器进行发射。因此，在此类实际应用场景中，单个发射器难以完成有效定位的任务，如要实用，须解决发射场的覆盖范围问题。

本实施方式中，所述超声波发射模块采用半平面全覆盖的组合方式发出超声波信号，覆盖范围达180-260度。为了实现上述方式，所述超声波发射模块包括多个超声波发射器，所述多个超声波发射器两两之间的中轴线夹角为40°～80°，且多个超声波发射器依次序发出超声波信号。

如图2所示，采用四个超声波发射器组合发射，四个超声波发射器安装在随身控制器的电路板上，两两相邻的两个超声波发射器中心轴的轴线成一定夹角，其夹角范围40-80度。其中，最外两侧的两个传感器的中心轴线与电路板的夹角为0-40度。

如图3所示，采用三个超声波发射器组合发射，三个超声波发射器安装在由随身控制器的电路板上，两两相邻的两个超声波发射器中心轴的轴线成一定夹角，夹角范围40-80度。其中，最外两侧的两个传感器的中心轴线与电路板的夹角为20-50度。

如图4所示，采用二个超声波发射器组合发射，二个超声波发射器安装在由随身控制器的电路板上，两个超声波发射器中心轴的轴线成一定夹角，夹角范围40-80度。

当上述的相邻二个超声波发射器的中心轴的轴线不在同一平面内时，其夹角可按其中一根中心轴线向另一根中心轴线所在平面投影后所得到的夹角计算得到。无论是四超声波发射器组合发射方式还是三超声波发射器器组合发射方式或者是二超声波发射器器组合发射方式，各个超声波发射器均按一定的次序依次发射。组内各个超声波发射器的发射时差8-60ms，超声波发射模块的发射周期为60-550ms。

所述随身控制器还设置有报警模块，所述第一无线信号传输模块还用于接收所述箱体发出的定位结果，所述随身控制器将收到的定位结果与定位阈值比较，当定位结果超过定位阈值时，控制所述报警模块进行报警。其中，报警模块可以是振动器和蜂鸣器，当定位结果得到随身控制器与箱体之间的距离为5米时，第一无线信号传输模块接收到该定位结果，随身控制器将该结果与设置的定位阈值4米进行比较，由于5米大于4米，因此振动器和蜂鸣器同时工作以提醒使用者箱体与自己的距离太远。

本实施方式中，所述定位接收模块包括四个超声波接收器，这四个超声波接收器可以位于箱体外表面上，并且四个超声波接收器的连线形成矩形或梯形。例如，四个超声波接收器布置于箱体顶部的四角位置，如此四个超声波接收器的连线形成矩形。本实施方式中的四个超声波接收器采用防水型超声波接收其，直径为10-18mm。值得一提的是，四个超声波接收器还可以两两布置于不同的平面，例如两个超声波接收器布置在箱体顶部，另两个超声波接收器布置在箱体的前部，如此四个超声波接收器的连线形成梯形。

箱体进行定位时，定位接收模块接收随身控制器上的多个超声波发射器依次发射的超声波信号在一个周期内形成半平面全覆盖的超声波场，通过四个超声波接收器实现定位信号的接收功能。值得一提的是，当箱体上的传感器数量超过四个时也可以实现定位功能，此种情况应视作是对本实用新型的一种等价改动。

箱体顶部还安装有LED指示灯，用于箱体低电量报警、随身控制器低电量报警以及跟丢报警。箱体顶部还布置有一个触碰式红外感应开关，用于对自动跟随功能与人工拖拉功能之间的切换。需要说明的是，此功能模块也可设置在拉杆手柄之上。

所述定位接收模块还包括第二无线信号传输模块，所述第二无线信号传输模块用于接收无线同步信号，以及向所述随身控制器发出控制指令，控制所述随身控制器发出定位信号。本实施方式中第二无线信号传输模块也采用CC2530芯片。

本实施方式在发射接收定位信号时，随身控制器可以周期性的控制超声波发射模块和第一无线信号传输模块同时发射，此时箱体根据定位接收模块上的第二无线信号传输模块接收到无线同步信号的时间进行数据同步。随身控制器也可以根据第二无线信号传输模块发出的控制信号，在第一无线信号传输模块收到控制信号后，触发超声波发射模块发射超声波信号，此时箱体根据定位接收模块上的第二无线信号传输模块发射控制信号的时间进行数据同步。由于超声波信号的速度远慢于无线信号的速度，这两种方式的时间差可以忽略不计。

本实施方式中，箱体的底部设置有轮子，所述轮子的数量可以是四个，其中，两个是动力轮，另外两个是支撑轮。动力轮沿箱体底部较长的一条边布置，可采用前轮驱动或后轮驱动方式。支撑轮采用普通行李箱的用万向轮。动力轮直径在60-160mm之间。动力轮与驱动模块连接。

驱动模块包括相互连接电机和编码器，所述编码器还与运动控制模块相连，用于响应运动控制模块发出的控制指令，所述电机的输出轴与轮子相连。例如，驱动模块采用直流减速电机。该直流减速电机的一端与动力轮连接，另一端与编码器连接。运动控制模块使用STM32芯片通过PWM波控制两个直流电机的转速实现差动控制，即使得两个动力轮之间产生速度差如此可以实现转向，当需要进行直线的前后运动时，运动控制模块只需控制两个直流电机的转速相同即可。值得一提的是，驱动模块还可以通过舵机控制的转向轮和动力轮来分别实现转向和前后运动,或者履带轮等驱动方式。

箱子底部还设置有避障模块，所述避障模块包括第一红外测距传感器和第二红外测距传感器，其中，所述第一红外测距传感器发出的红外线指向箱体前进方向的正前方以检测箱体前件方向的障碍物，从而可以让运动控制模块避开障碍物；所述第二红外测距传感器发出的红外线指向箱体前进方向的斜下方以检测箱体前件方向地面的凹凸信息，从而可以让运动控制模块使得箱体停止运动，以防止行李箱跌落并检测台阶等不可逾越的地形。其中，第一红外测距传感器和第二红外测距传感器可以选用ORA1L03-A0红外测距传感器。

箱体侧面(箱体开启一侧)可以安装有电源开关、动力电池充电接口、随身控制器充电接口以及USB接口。USB接口的主要功能是为手机等便携式电子设备提供充电接口。

箱体的拉杆部位安装有主控制电路板及动力锂电池。箱体供电使用动力锂电池，根据箱体所需动力的大小可选用12V或24V二种不同的供电电压。电池安装方式采用可拆卸式，并通过充电器外接充电。主控制电路板包括定位计算、运动控制、电源管理、全球定位、电子称重、报警、工作模式切换等功能模块。

该主控制电路板上设置有运动控制器，如图5所示，该运动控制模块包括定位计算单元、第一运动控制单元、避障接收单元和第二运动控制单元，所述定位计算单元根据收到的定位信号对随身控制器进行定位，所述第一运动控制单元在定位结果超过移动阈值时，控制所述驱动模块对得所述箱体底部的轮子进行差动控制，从而实现箱体的转向和前后运动；所述避障接收单元用于接收避障模块发出的避障信号，所述第二运动控制单元对避障接收单元收到的避障信号进行判断，并根据判断结果控制所述驱动模块对得所述箱体底部的轮子进行差动控制或刹车控制，从而实现箱体的转向或停止

本实施方式的行李箱的定位工作原理为，用户使用随身控制器上搭载的CC2530芯片控制超声波发射器发射超声波，箱体上的多个超声波传感器侦听超声波，通过LMV358IDR芯片放大转换为数字信号，同时通过CC2530芯片使用Zigbee无线实现随身控制器和箱体之间的同步和数据交换。随身控制器上的超声波发射器和箱体上的超声波接收器相互匹配，并使用相同频率。无线信号接收发相互匹配。计算定位时先计算出随身控制器到每个超声波发射器之间直线距离，然后建立坐标平面，通过坐标平面计算得到随身控制器的位置，再计算箱体与随身控制器之间的距离，该方法能够比其它方法得到更精确的位置信息，同时效率更高。

定位计算单元包括，第一距离计算单元，用于根据收到的超声波信号计算四个超声波接收器到随身控制器的距离；坐标建立单元，用于建立三维垂直坐标，并得到四个超声波接收器的坐标，所述三维垂直坐标的水平面的一根坐标轴与四个超声波接收器的连线形成矩形的一条边或梯形的底平行，且三维垂直坐标的另一根坐标轴与所述矩形或梯形在三维垂直坐标的水平面上投影的中轴线重合；坐标定位单元，用于根据四个超声波接收器到随身控制器的距离和四个超声波接收器的坐标计算随身控制器的坐标；第二距离计算单元，计算四个超声波接收器的中心坐标与随身控制器的坐标之间的距离，该距离就是箱体与随身控制器的距离。

如图6所示，本实施方式中四个超声波接收器在同一平面内构成一个等腰梯形的形状。建立的坐标轴固定于超声波接收器组所在的跟随体上，建立的三维垂直坐标的XOY水平面的X坐标轴与四个超声波接收器的连线形成的等腰梯形的底平行，且三维垂直坐标的Y坐标轴与所述等腰梯形在三维垂直坐标的水平面上投影的中轴线重合。四个超声波接收器以四个坐标点Si(i＝1,2,3,4)表示，坐标分别为S1(a1,-b1,0)，S2(-a1,-b1,0)，S3(a2,-b2,0)，S4(-a2,-b2,0)(其中a1＝1,b1＝1,a2＝2,b2＝2)，随身控制器T的坐标为(x,y,z)，则随身控制器T与坐标原点O的距离为：r²＝x²+y²+z²。

设第i个超声波接收器测得的到随身控制器T的距离为ri(i＝1,2,3,4)，则有如下关系式成立：

r1²＝(x-a1)²+(y+b1)²+z² (2)

r2²＝(x+a1)²+(y+b1)²+z² (3)

r3²＝(x-a2)²+(y+b2)²+z² (4)

r4²＝(x+a2)²+(y+b2)²+z² (5)

经过推导和变换，随身控制器T的x，y坐标可由如下公式直接计算：

本实施方式中r1²＝5,因此代入式(6)和式(7)可得到随身控制器T的x，y坐标为(1,1)，如此便完成了随身控制器T的定位。

如果在平地移动时无需对随身控制器T的z坐标进行计算，因此只需计算随身控制器T的x，y坐标和四个超声波接收器的中心坐标的距离，即可得到随身控制器与箱体之间的距离。如果在斜坡移动时，则需要对对随身控制器T的z坐标进行计算，如此可以使得最终的结果更为精确。

计算随身控制器T的z坐标，可采用如下方法。将由式(6)(7)计算得到的x、y代入式(2)(3)(4)(5)即可得到

于是，随身控制器T的z坐标可由下式算得：

本实施方式中，随身控制器T的z坐标为1。得到随身控制器T的x，y，z坐标后便可根据距离公式计算随身控制器T到箱体之间的距离。

值得一提的是，为了防止遗失，箱体内还可以装有独立工作的全球定位模块，该模块使用多种定位方式，包括GPS等多种卫星定位、基站定位、wifi等多种定位方式。同时该模块会通过基站上传定位数据给因特网上的服务器，便于用户随时查看箱子位置。

不难发现，本实用新型通过箱体上设置的定位装置对随身控制器进行定位，通过测定随身控制器的位置来确定用户的位置，利用控制装置通过对驱动装置发出指令，保持箱体与用户的相对距离保持在一定距离内，省去了用户对于箱体的手动拖动。同时箱体上还设置有避障处理模块来实现自动避障功能。