爬楼行李箱的设计与实现

随着时代发展,人们外出旅行愈加频繁,在火车站等地经常看到旅客提着沉重的行李箱上下楼梯,十分不便为更好地服务大众,同时激发当代大学生的创新意识,设计了一款爬楼行李箱。目前国外对于类似产品的研发已有较成熟的技术,以色列"灵性机器人"公司曾设计一款可实现自动跟随功能的爬楼行李箱,该行李箱控制系统通过测距传感器感知主人的方位与距离,实现智能跟随的功能,但价格十分昂贵;国内对于爬楼行李箱的研究较晚,有学校设计出一款特殊的行李箱登阶器,还有部分设计团队利用星型轮制作运货上楼机,但其实现的功能较少,智能化程度不高。因此,本项目团队针对国内外研究现状以及人们的实际需求,设计出了一款价格实惠、功能齐全,以爬楼为主要功能的爬楼行李箱,方便旅客出行。

1主要结构设计

1.1箱体机械结构设计

行李箱机械结构主要由双面齿橡胶同步履带、主动轮、从动轮、万向轮、可伸缩拉杆、关节轴承等部分组成。由于行李箱在爬楼时主要依靠台阶尖端部分受力,普通材质和结构的履带容易打滑,而双面齿橡胶履带具有较大的摩擦系数,可牢牢"抓"在楼梯上。为保证行李箱能时刻完全覆盖两阶台阶,履带周长定为l50cm,主动轮及驱动轮直径定为8cm。在平地时,用户可以像拉动普通行李箱一样,此时主要靠万向轮产生作用。

同时为方便用户使用,速度控制器被放置在拉杆处,用户可随时调节行李箱运行速度。该行李箱适用台阶和箱体具体结构参数如表1所示。

1.2拉杆结构设计

图l为爬楼行李箱拉杆结构,该拉杆结构与传统拉杆不同,不仅具备传统拉杆可伸缩的特性,与关节轴承配合使用后还具备可旋转的特点。在行李箱爬楼过程中,行李箱是以"卧式"状态前进,如果拉杆不能旋转,用户必须"放低身段"弯腰拉动,给用户造成不舒适感。因此,该行李箱拉杆处添加关节轴承解决上述问题,在上下楼时,用户可根据自身高度调节拉杆角度,正常行走。

图1行李箱拉杆结构图

2控制执行系统设计

该行李箱控制执行系统主要由STC89C52单片机、直流电机驱动器、直流电机、同步带、同步轮等组成,达到调速驱动的目的。同时该控制执行系统具备北斗导航定位模块、超声波障碍探测及警示模块、数显驱动电路模块。其控制执行系统的总体系统框图如图2所示。

2.1硬件驱动系统设计

行李箱主要承担运载货物的任务,考虑到人日常行走的速度大概为0.75～l.50m/S,行李箱最大承重40kg,同步带与楼梯摩擦系数在0.3～0.5,因此采用单片机输出不同占空比PwM脉冲控制直流电机转速。

单片机输出电流只有20mA左右,不能直接接到电机上驱动电机,还需要使用电机驱动模块。电机驱动模块采用L298N驱动模块,该电机驱动模块内含双H桥直流电机驱动芯

片,PwM有效范围o.l%～loo%,同时可为单片机提供5V电源,并有5V输出过流保护以及接入信号过压保护。该电机驱动模块可支持3oow电机工作,最大工作电流l5A,符合电机驱动要求。

2.2软件驱动控制系统设计

该行李箱采用STC89C52芯片控制,通过单片机输出不同占空比的脉冲信号来控制接入直流电机的平均电压实现调速功能。为提高用户使用舒适度,凸显时尚感,采用按键形式控制电机转速,分为加速按键和减速按键。按键对应不同占空比的PwM脉冲信号,匹配不同的速度挡位。同时,电机也具备最大速度和最小速度,当电机达到最大速度时,加速键不再产生作用,重复按下加速键只会保持最大速度运行。同理,当电机速度达到最小速度时,减速键不再产生作用,重复按下减速键只会保持最小速度运行。调速程序设置流程图如图3所示。

2.3定位系统设计

为避免用户在人流量较大的车站等场所错拿、忘拿、丢失行李箱,本项目提供行李箱定位功能。当行李箱与客户距离超过设定范围时,行李箱滑轮以及密码锁将自动锁定,同时通过微信云端直接向用户发送警告以及行李箱的位置信息。用户可实时解除警报或沿导航寻找行李箱。本项目使用北斗导航通信功能,采用三频信号,较有效地消除高阶电离层延迟影响。本模块采用UC2ll北斗芯片,使用IIC通信协议,利用EEPR0M存储数据信息,模块采用U-BL0xNE0-6M模组,模块增加放大电路,增强无缘陶瓷天线快速搜寻功能。模块通过串口进行各种参数设置,保存在EEPR0M中方便使用。模块自带SMA接口,连接各种有源天线,模块兼容3.3V/5V电平,连接单片机系统。北斗模块通过天线不断接收北斗定位卫星发送的导航电文,接收到信号后通过单片机进行串口初使化处理,然后从串口读取相应数据,格式正确则输出串口TTL电平信号与主AP进行通信,传输相应格式的信息流,主CPU通过处理的定位信息、地面数据信息等,按照一定公式进行计算,经过应用逻辑处理,返回给用户显示。

3结语

本爬楼行李箱是一种方便用户出行,减轻用户出行负担,提高出行效率的创新型产品,具有可调速爬楼功能,兼具定位防丢失功能。拉杆设计也独具一格,采用可伸缩、可弯曲结构,方便用户拉动,可控性更强,减少了操作强度。国外类似产品价格昂贵且功能尚不完善。相信在未来发展中,爬楼行李箱的设计将会朝着使用更便捷、整体构造更合理、自重更轻、安全系数更高的方向发展,针对不同人群、不同环境都有合适的爬楼行李箱。