一种全方位智能跟随行李箱及其控制方法与流程

本发明涉及一种全方位智能跟随行李箱及其控制方法，属于智能控制技术领域。

背景技术：

随着社会现代化的快速发展，人们工作节奏加快，以及人们对生活品质要求的不断提高，出差和旅行，已成为大家工作和生活必不可少的一部分。在出差或旅行中，很多人会为拎着重重的行李箱而烦恼。目前行李箱多为拉杆式，需要人工拖拽，耗费体力，在行走过程中多有不便。

虽然，现在也出现了一些智能行李箱，但这些行李箱仍存在一些缺陷，主要有：(1)通常只能用单种传感器：如用蓝牙传感器进行避障而不是跟随。(2)有的用超声波的，只有三个接收器，其定位不精确，反应不灵敏，只可以得出1组粗略值，而不能得到精准值。(3)不能全方位移动，所以不方便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种定位精确、反应灵敏、移动更方便的全方位智能跟随行李箱。

本发明采取的技术方案是：一种全方位智能跟随行李箱，其包括发射装置和箱体，所述发射装置包括电源，控制组件a和超声波发射器，所述箱体上设有四个超声波接收器和行走装置，所述四个超声波接收器位于同一接收平面上，发射装置通过超声波发射器向超声波接收器发送超声波信号，所述行走装置包括控制组件b和全向轮组，所述全向轮组包括至少三个全向轮及其各自对应的驱动马达，控制组件b接收超声波接收器的信号后向所述驱动马达发送驱动信号，驱动马达根据接收的驱动信号驱动全向轮行走。

进一步的，所述控制组件b的处理器采用单片机，且控制组件b包括相互通信的主单片机和从单片机，所述主单片机连接四个超声波接收器并接收四个超声波接收器的信号，所述从单片机通过电机驱动电路连接驱动马达，驱动马达带动全向轮转动。

进一步的，所述全向轮和驱动马达通过轮架和底板安装在箱体底部，轮架与底板连接，且在轮架和底板之间设有伸缩部件，该伸缩部件包括减震轴和减振弹簧，减振弹簧套装在减震轴上。

进一步的，所述全向轮组包括三个全向轮和三个驱动马达，所述三个全向轮呈三角分布，并等分均匀的安装在箱体下方，所述三个驱动马达互成120°角。

进一步的，所述控制组件b上的单片机与超声波接收器之间设有超声波接收电路，所述超声波接收电路采用芯片cx20106对超声波信号进行放大和整形，所述芯片cx20106的管脚1连接超声波接收器的正相输出端，管脚2依次通过电阻r3a和电容e11连接超声波接收器的反相输出端，管脚3通过电容e12连接超声波接收器的反相输出端，管脚4直接连接超声波接收器的反相输出端，管脚5通过电阻r5a连接电源，管脚6通过电容c3接地，管脚7连接单片机信号输入端，且管脚7还通过上拉电阻r4a连接电源，管脚8直接接电源。

进一步的，所述控制组件a的处理器采用单片机，在该单片机与超声波发射器之间设有超声波发射电路，所述超声波发射电路采用芯片lm386对输出信号进行功率放大，所述芯片lm386的管脚1通过电容e1和电阻r1a连接管脚8，管脚2和管脚4接地，管脚3连接单片的单片机信号输出端，管脚5通过电容e10连接超声波发射器的正相输入端，同时管脚5还通过电容c1和r2a连接超声波发射器的反相输入端并接地，管脚6连接电源，管脚7通过电容c2连接超声波发射器的反相输入端并接地。

进一步的，所述驱动马达的转速控制采用pwm波实现，电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由4支n沟道功率管组成。

进一步的，所述的四个超声波接收器设置在容纳箱体的顶部，且四个超声波接收器呈矩形分布。

本发明采取的另一技术方案是：一种全方位智能跟随行李箱的控制方法，其包括以下步骤：

s1：用户佩戴发射装置，在行走过程中，发射装置周期性发送超声波信号；

s2：行走装置上的四个超声波接收器接收到超声波信号后，分别将信号发送至控制组件b，控制组件b根据接收到的四个超声波信号，计算出发射装置的坐标位置，具体计算方法为：

首先，根据四个超声波接收器的位置构建三维坐标系，并将四个超声波接收器的坐标定义为：

(x1,y1,z1)＝(0，0,0)，(x2,y2,z2)＝(n,0,0)，(x3,y3,z3)＝(0,m,0)，(x4,y4,z4)＝(n,m,0)；

通过使用超声波传感器可以获得从发射器到接收器间的距离(d1,d2,d3,d4)，结果是：

其中：d1，d2，d3，d4分别为四个超声波接收器坐标(0，0，0)，(n，0，0),(0，m，0),(n,m,0)与超声波发射器之间的距离；

然后做一个减法线性化，即①-④，②-④，③-④，得：

之后再做一个矩阵，即令：

由此，上式简化为：ax＝b；

再采用最小二乘优化方法优化目标：

对x求导，得：2a^t(ax-b)＝0；

即获得一组最优解：x＝(a^ta)^-1a^tb；

如此，根据最后一个方程和实际情况，相应得出发射器的优化坐标t(x,y,z)；

s3：控制组件b获得发射装置的坐标位置后，向所述全向轮组发送指令信号，并对发射装置进行跟踪。

进一步的，所述控制组件b根据发射装置的坐标位置控制行走装置的行进方向和行进速度，控制组件b对接收的数据进行处理和分析，然后将数据处理成带马达的全向轮组不同的速度，由速度的分解和合成，箱体将沿着应该去的方向行驶。

本发明的有益效果如下：

1)实现无需控制，纯自动定位跟踪，使用更便捷，符合实际和出国人士的需求。

2)适用范围广，凡是有地面的区域都可以使用本设备。

3)超声波设备定位精确，反应更灵敏。

4)采用全向轮组，对地摩擦小，转弯更方便，在遇到崎岖不平的路面对其造成的冲击时，各全向轮均可以相对支架沿竖直方向单独或者同时沿竖直方向滑动，能够灵活适应路面的起伏，从而起到缓冲作用，以减少对移动工具运输时的震动。

同时，三个驱动马达互成120°角，这种三角形结构可以保证整个驱动平台以3组马达环绕的轴心为中心做自身旋转运动，可以配合驱动平台直线运动到达目标点的过程中调整整个箱体的姿态，从而达到终态所需的姿态角度。

5)现有行李箱一般设置三个超声波接收器，只可以计算得出1组发射装置位置的空间坐标的计算值，由于存在着无法避免的系统测量误差和计算误差，该采用三个接收器方法计算出的一组坐标值往往与发射装置实际位置之间存在较大误差，从而容易导致定位不精确，反应不灵敏。本发明箱体上设置四个超声波接收器，这四个接收器共有四个坐标值，每三个坐标值可以相应确定一组超声波发射装置的坐标值，总共可以确定四组发射装置的坐标值，再通过最小二乘优化法进行优化处理，得到一组坐标值，使发射器到达四个接收器的距离最短，提高了定位与跟踪的抗干扰性和准确度。

6)采用独特设计的全向轮作为驱动轮，实现任意方向上的瞬时运动，提高了运动效率和便捷性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是全向轮安装示意图。

图4是全向轮与驱动马达连接示意图。

图5是超声波发射电路图。

图6是超声波接收电路图。

图7是电机驱动电路图。

图8是依据四个超声波接收器建立的三维坐标系。

图9是pi算法的结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-4所示，一种全方位智能跟随行李箱，其包括发射装置1和箱体2，所述发射装置1包括电源101，控制组件a102和超声波发射器103，所述箱体2上设有四个超声波接收器201和行走装置202，所述四个超声波接收器201位于同一接收平面上(该接收平面可以为水平平面，竖直平面或倾斜平面)，发射装置1通过超声波发射器103向超声波接收器201发送超声波信号，所述行走装置202包括控制组件b205和全向轮组206，所述全向轮组206包括至少三个全向轮207及其各自对应的驱动马达203，控制组件b205接收超声波接收器201的信号后向所述驱动马达203发送驱动信号，驱动马达203根据接收的驱动信号驱动全向轮207行走。上述超声波发射器103和超声波接收器201均可采用市售常规产品。

本发明的控制组件b205的处理器采用单片机，该单片机可以优先选用arduinomega2560单片机，且控制组件b205包括相互通信的主单片机和从单片机，所述主单片机连接四个超声波接收器201并接收四个超声波接收器201的信号，所述从单片机通过电机驱动电路连接驱动马达203，驱动马达203带动全向轮207转动。

优选的，所述全向轮207和驱动马达203通过轮架208和底板204安装在箱体底部，轮架208与底板204连接，且在轮架208和底板204之间设有伸缩部件209，该伸缩部件209包括减震轴和减振弹簧，减振弹簧套装在减震轴上。

优选的，所述全向轮组包括三个全向轮207和三个驱动马达203，所述三个全向轮203呈三角分布，并等分均匀的安装在箱体下方，所述三个驱动马达203互成120°角。

优选的，本发明的四个超声波接收器201设置在容纳箱体202的顶部，且四个超声波接收器201呈矩形分布。这四个接收器共有四个坐标值，每三个坐标值可以相应确定一组超声波发射装置的坐标值，总共可以确定四组发射装置的坐标值，再通过最小二乘优化法进行优化处理，得到一组坐标值，使发射器到达四个接收器的距离最短，提高了定位的抗干扰性和准确度。

如图5所示，所述控制组件b205上的单片机与超声波接收器之间设有超声波接收电路，所述超声波接收电路采用芯片cx20106对超声波信号进行放大和整形，所述芯片cx20106的管脚1连接超声波接收器的正相输出端，管脚2依次通过电阻r3a和电容e11连接超声波接收器的反相输出端，管脚3通过电容e12连接超声波接收器的反相输出端，管脚4直接连接超声波接收器的反相输出端，管脚5通过电阻r5a连接电源，管脚6通过电容c3接地，管脚7连接单片机信号输入端，且管脚7还通过上拉电阻r4a连接电源，管脚8直接接电源。

如图6所示，所述控制组件a的处理器采用单片机，该单片机可以优先选用arduinonano单片机，在该单片机与超声波发射器之间设有超声波发射电路，所述超声波发射电路采用芯片lm386对输出信号进行功率放大，所述芯片lm386的管脚1通过电容e1和电阻r1a连接管脚8，管脚2和管脚4接地，管脚3连接单片的单片机信号输出端，管脚5通过电容e10连接超声波发射器的正相输入端，同时管脚5还通过电容c1和r2a连接超声波发射器的反相输入端并接地，管脚6连接电源，管脚7通过电容c2连接超声波发射器的反相输入端并接地。

如图7所示，所述驱动马达的转速控制采用pwm波实现，控制组件b205通过电机驱动电路启动驱动马达运行，所述电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，其功率元件由4支n沟道功率管组成。

本发明利用超声波传感器检测到的发射器与四个接收器间的距离(d1,d2,d3,d4)，算出发射器相对于所建坐标系的空间坐标，从而进行定位跟踪，具体方法为：

首先，如图8所示，根据四个超声波接收器的位置构建三维坐标系，并将四个超声波接收器的坐标定义为：

(x1,y1,z1)＝(0，0,0)，(x2,y2,z2)＝(n,0,0)，(x3,y3,z3)＝(0,m,0)，(x4,y4,z4)＝(n,m,0)；通过使用超声波传感器可以获得从发射器到接收器间的距离(d1,d2,d3,d4)，结果是：

其中：d1，d2，d3，d4分别为四个超声波接收器坐标(0，0，0)，(n，0，0),(0，m，0),(n,m,0)与超声波发射器之间的距离；

然后将上式做一个减法线性化，即①-④，②-④，③-④，得：

之后再做一个矩阵，即令：

由此，上式简化为：ax＝b；

再采用最小二乘优化方法优化目标：

对x求导，得：2a^t(ax-b)＝0；

即获得一组最优解：x＝(a^ta)^-1a^tb；

如此，根据最后一个方程和实际情况，相应得出发射器的优化坐标t(x,y,z)；

依据上述算法，得到发射装置的坐标位置后，所述控制组件b对接收的数据进行处理和分析，然后将数据处理成带马达的全向轮组不同的速度，由速度的分解和合成，箱体将沿着应该去的方向行驶。

本发明中，全向轮的数量优选为三个，且三个全向轮等分均匀的安装在箱体下方，同时三个驱动马达互成120°角。

其中，全向轮旋转线速度(v1,v2,v3)和轴上的速度分量(vx,vy,vz)与载体角速度(ω)的关系如下：

式中：为驱动轮间的夹角，l为箱体中心到轮子中心的水平距离，相当于以轮子为圆，l为半径。

获得车轮的速度后，保持每个车轮的速度是下一个问题。由于地面对它有摩擦力，不同地方的摩擦力也不同，因此必须保持理想的速度。本发明采用pi算法，即在过程控制中，按全向轮速度偏差的比例(p)、积分(i)来调节矫正速度使之保持理想状态(全向轮速度恒定)。

如图9所示，通过接收到的输入值，计算输出和输入之间的误差。然后将其放入pi控制器中，pwm可以保持在一定值左右。可以使用以下公式实现：

pwm＝e(k)×kp+ki∑e(k)。

其中：pwm是采用pi控制技术将输入值通过公式转化成的脉冲宽度调制波值，kp为比例调节系数，是一个大于0的数，ki为积分调节系数，e(k)为命令值与输出值之间的偏差。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。