爬樓行李箱的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著時代發(fā)展,人們外出旅行愈加頻繁,在火車站等地經(jīng)?？吹铰每吞嶂林氐男欣钕渖舷聵翘?十分不便為更好地服務(wù)大眾,同時激發(fā)當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)新意識,設(shè)計了一款爬樓行李箱。目前國外對于類似產(chǎn)品的研發(fā)已有較成熟的技術(shù),以色列"靈性機器人"公司曾設(shè)計一款可實現(xiàn)自動跟隨功能的爬樓行李箱,該行李箱控制系統(tǒng)通過測距傳感器感知主人的方位與距離,實現(xiàn)智能跟隨的功能,但價格十分昂貴;國內(nèi)對于爬樓行李箱的研究較晚,有學(xué)校設(shè)計出一款特殊的行李箱登階器,還有部分設(shè)計團隊利用星型輪制作運貨上樓機,但其實現(xiàn)的功能較少,智能化程度不高。因此,本項目團隊針對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及人們的實際需求,設(shè)計出了一款價格實惠、功能齊全,以爬樓為主要功能的爬樓行李箱,方便旅客出行。

1主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1箱體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

行李箱機械結(jié)構(gòu)主要由雙面齒橡膠同步履帶、主動輪、從動輪、萬向輪、可伸縮拉桿、關(guān)節(jié)軸承等部分組成。由于行李箱在爬樓時主要依靠臺階尖端部分受力,普通材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的履帶容易打滑,而雙面齒橡膠履帶具有較大的摩擦系數(shù),可牢牢"抓"在樓梯上。為保證行李箱能時刻完全覆蓋兩階臺階,履帶周長定為l50cm,主動輪及驅(qū)動輪直徑定為8cm。在平地時,用戶可以像拉動普通行李箱一樣,此時主要靠萬向輪產(chǎn)生作用。

同時為方便用戶使用,速度控制器被放置在拉桿處,用戶可隨時調(diào)節(jié)行李箱運行速度。該行李箱適用臺階和箱體具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖l為爬樓行李箱拉桿結(jié)構(gòu),該拉桿結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)拉桿不同,不僅具備傳統(tǒng)拉桿可伸縮的特性,與關(guān)節(jié)軸承配合使用后還具備可旋轉(zhuǎn)的特點。在行李箱爬樓過程中,行李箱是以"臥式"狀態(tài)前進,如果拉桿不能旋轉(zhuǎn),用戶必須"放低身段"彎腰拉動,給用戶造成不舒適感。因此,該行李箱拉桿處添加關(guān)節(jié)軸承解決上述問題,在上下樓時,用戶可根據(jù)自身高度調(diào)節(jié)拉桿角度,正常行走。

圖1行李箱拉桿結(jié)構(gòu)圖

2控制執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

該行李箱控制執(zhí)行系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、直流電機驅(qū)動器、直流電機、同步帶、同步輪等組成,達到調(diào)速驅(qū)動的目的。同時該控制執(zhí)行系統(tǒng)具備北斗導(dǎo)航定位模塊、超聲波障礙探測及警示模塊、數(shù)顯驅(qū)動電路模塊。其控制執(zhí)行系統(tǒng)的總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1硬件驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

行李箱主要承擔(dān)運載貨物的任務(wù),考慮到人日常行走的速度大概為0.75～l.50m/S,行李箱最大承重40kg,同步帶與樓梯摩擦系數(shù)在0.3～0.5,因此采用單片機輸出不同占空比PwM脈沖控制直流電機轉(zhuǎn)速。

單片機輸出電流只有20mA左右,不能直接接到電機上驅(qū)動電機,還需要使用電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動模塊采用L298N驅(qū)動模塊,該電機驅(qū)動模塊內(nèi)含雙H橋直流電機驅(qū)動芯

片,PwM有效范圍o.l%～loo%,同時可為單片機提供5V電源,并有5V輸出過流保護以及接入信號過壓保護。該電機驅(qū)動模塊可支持3oow電機工作,最大工作電流l5A,符合電機驅(qū)動要求。

2.2軟件驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

該行李箱采用STC89C52芯片控制,通過單片機輸出不同占空比的脈沖信號來控制接入直流電機的平均電壓實現(xiàn)調(diào)速功能。為提高用戶使用舒適度,凸顯時尚感,采用按鍵形式控制電機轉(zhuǎn)速,分為加速按鍵和減速按鍵。按鍵對應(yīng)不同占空比的PwM脈沖信號,匹配不同的速度擋位。同時,電機也具備最大速度和最小速度,當(dāng)電機達到最大速度時,加速鍵不再產(chǎn)生作用,重復(fù)按下加速鍵只會保持最大速度運行。同理,當(dāng)電機速度達到最小速度時,減速鍵不再產(chǎn)生作用,重復(fù)按下減速鍵只會保持最小速度運行。調(diào)速程序設(shè)置流程圖如圖3所示。

2.3定位系統(tǒng)設(shè)計

為避免用戶在人流量較大的車站等場所錯拿、忘拿、丟失行李箱,本項目提供行李箱定位功能。當(dāng)行李箱與客戶距離超過設(shè)定范圍時,行李箱滑輪以及密碼鎖將自動鎖定,同時通過微信云端直接向用戶發(fā)送警告以及行李箱的位置信息。用戶可實時解除警報或沿導(dǎo)航尋找行李箱。本項目使用北斗導(dǎo)航通信功能,采用三頻信號,較有效地消除高階電離層延遲影響。本模塊采用UC2ll北斗芯片,使用IIC通信協(xié)議,利用EEPR0M存儲數(shù)據(jù)信息,模塊采用U-BL0xNE0-6M模組,模塊增加放大電路,增強無緣陶瓷天線快速搜尋功能。模塊通過串口進行各種參數(shù)設(shè)置,保存在EEPR0M中方便使用。模塊自帶SMA接口,連接各種有源天線,模塊兼容3.3V/5V電平,連接單片機系統(tǒng)。北斗模塊通過天線不斷接收北斗定位衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文,接收到信號后通過單片機進行串口初使化處理,然后從串口讀取相應(yīng)數(shù)據(jù),格式正確則輸出串口TTL電平信號與主AP進行通信,傳輸相應(yīng)格式的信息流,主CPU通過處理的定位信息、地面數(shù)據(jù)信息等,按照一定公式進行計算,經(jīng)過應(yīng)用邏輯處理,返回給用戶顯示。

3結(jié)語

本爬樓行李箱是一種方便用戶出行,減輕用戶出行負擔(dān),提高出行效率的創(chuàng)新型產(chǎn)品,具有可調(diào)速爬樓功能,兼具定位防丟失功能。拉桿設(shè)計也獨具一格,采用可伸縮、可彎曲結(jié)構(gòu),方便用戶拉動,可控性更強,減少了操作強度。國外類似產(chǎn)品價格昂貴且功能尚不完善。相信在未來發(fā)展中,爬樓行李箱的設(shè)計將會朝著使用更便捷、整體構(gòu)造更合理、自重更輕、安全系數(shù)更高的方向發(fā)展,針對不同人群、不同環(huán)境都有合適的爬樓行李箱。