本發(fā)明涉及一種全方位智能跟隨行李箱及其控制方法，屬于智能控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，人們工作節(jié)奏加快，以及人們對(duì)生活品質(zhì)要求的不斷提高，出差和旅行，已成為大家工作和生活必不可少的一部分。在出差或旅行中，很多人會(huì)為拎著重重的行李箱而煩惱。目前行李箱多為拉桿式，需要人工拖拽，耗費(fèi)體力，在行走過程中多有不便。

雖然，現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些智能行李箱，但這些行李箱仍存在一些缺陷，主要有：(1)通常只能用單種傳感器：如用藍(lán)牙傳感器進(jìn)行避障而不是跟隨。(2)有的用超聲波的，只有三個(gè)接收器，其定位不精確，反應(yīng)不靈敏，只可以得出1組粗略值，而不能得到精準(zhǔn)值。(3)不能全方位移動(dòng)，所以不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種定位精確、反應(yīng)靈敏、移動(dòng)更方便的全方位智能跟隨行李箱。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種全方位智能跟隨行李箱，其包括發(fā)射裝置和箱體，所述發(fā)射裝置包括電源，控制組件a和超聲波發(fā)射器，所述箱體上設(shè)有四個(gè)超聲波接收器和行走裝置，所述四個(gè)超聲波接收器位于同一接收平面上，發(fā)射裝置通過超聲波發(fā)射器向超聲波接收器發(fā)送超聲波信號(hào)，所述行走裝置包括控制組件b和全向輪組，所述全向輪組包括至少三個(gè)全向輪及其各自對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，控制組件b接收超聲波接收器的信號(hào)后向所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)根據(jù)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)全向輪行走。

進(jìn)一步的，所述控制組件b的處理器采用單片機(jī)，且控制組件b包括相互通信的主單片機(jī)和從單片機(jī)，所述主單片機(jī)連接四個(gè)超聲波接收器并接收四個(gè)超聲波接收器的信號(hào)，所述從單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述全向輪和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過輪架和底板安裝在箱體底部，輪架與底板連接，且在輪架和底板之間設(shè)有伸縮部件，該伸縮部件包括減震軸和減振彈簧，減振彈簧套裝在減震軸上。

進(jìn)一步的，所述全向輪組包括三個(gè)全向輪和三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，所述三個(gè)全向輪呈三角分布，并等分均勻的安裝在箱體下方，所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)互成120°角。

進(jìn)一步的，所述控制組件b上的單片機(jī)與超聲波接收器之間設(shè)有超聲波接收電路，所述超聲波接收電路采用芯片cx20106對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大和整形，所述芯片cx20106的管腳1連接超聲波接收器的正相輸出端，管腳2依次通過電阻r3a和電容e11連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳3通過電容e12連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳4直接連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳5通過電阻r5a連接電源，管腳6通過電容c3接地，管腳7連接單片機(jī)信號(hào)輸入端，且管腳7還通過上拉電阻r4a連接電源，管腳8直接接電源。

進(jìn)一步的，所述控制組件a的處理器采用單片機(jī)，在該單片機(jī)與超聲波發(fā)射器之間設(shè)有超聲波發(fā)射電路，所述超聲波發(fā)射電路采用芯片lm386對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，所述芯片lm386的管腳1通過電容e1和電阻r1a連接管腳8，管腳2和管腳4接地，管腳3連接單片的單片機(jī)信號(hào)輸出端，管腳5通過電容e10連接超聲波發(fā)射器的正相輸入端，同時(shí)管腳5還通過電容c1和r2a連接超聲波發(fā)射器的反相輸入端并接地，管腳6連接電源，管腳7通過電容c2連接超聲波發(fā)射器的反相輸入端并接地。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制采用pwm波實(shí)現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由4支n溝道功率管組成。

進(jìn)一步的，所述的四個(gè)超聲波接收器設(shè)置在容納箱體的頂部，且四個(gè)超聲波接收器呈矩形分布。

本發(fā)明采取的另一技術(shù)方案是：一種全方位智能跟隨行李箱的控制方法，其包括以下步驟：

s1：用戶佩戴發(fā)射裝置，在行走過程中，發(fā)射裝置周期性發(fā)送超聲波信號(hào)；

s2：行走裝置上的四個(gè)超聲波接收器接收到超聲波信號(hào)后，分別將信號(hào)發(fā)送至控制組件b，控制組件b根據(jù)接收到的四個(gè)超聲波信號(hào)，計(jì)算出發(fā)射裝置的坐標(biāo)位置，具體計(jì)算方法為：

首先，根據(jù)四個(gè)超聲波接收器的位置構(gòu)建三維坐標(biāo)系，并將四個(gè)超聲波接收器的坐標(biāo)定義為：

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

通過使用超聲波傳感器可以獲得從發(fā)射器到接收器間的距離(d1,d2,d3,d4)，結(jié)果是：

其中：d1，d2，d3，d4分別為四個(gè)超聲波接收器坐標(biāo)(0，0，0)，(n，0，0),(0，m，0),(n,m,0)與超聲波發(fā)射器之間的距離；

然后做一個(gè)減法線性化，即①-④，②-④，③-④，得：

之后再做一個(gè)矩陣，即令：

由此，上式簡(jiǎn)化為：ax＝b；

再采用最小二乘優(yōu)化方法優(yōu)化目標(biāo)：

對(duì)x求導(dǎo)，得：2a^t(ax-b)＝0；

即獲得一組最優(yōu)解：x＝(a^ta)^-1a^tb；

如此，根據(jù)最后一個(gè)方程和實(shí)際情況，相應(yīng)得出發(fā)射器的優(yōu)化坐標(biāo)t(x,y,z)；

s3：控制組件b獲得發(fā)射裝置的坐標(biāo)位置后，向所述全向輪組發(fā)送指令信號(hào)，并對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行跟蹤。

進(jìn)一步的，所述控制組件b根據(jù)發(fā)射裝置的坐標(biāo)位置控制行走裝置的行進(jìn)方向和行進(jìn)速度，控制組件b對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，然后將數(shù)據(jù)處理成帶馬達(dá)的全向輪組不同的速度，由速度的分解和合成，箱體將沿著應(yīng)該去的方向行駛。

本發(fā)明的有益效果如下：

1)實(shí)現(xiàn)無需控制，純自動(dòng)定位跟蹤，使用更便捷，符合實(shí)際和出國(guó)人士的需求。

2)適用范圍廣，凡是有地面的區(qū)域都可以使用本設(shè)備。

3)超聲波設(shè)備定位精確，反應(yīng)更靈敏。

4)采用全向輪組，對(duì)地摩擦小，轉(zhuǎn)彎更方便，在遇到崎嶇不平的路面對(duì)其造成的沖擊時(shí)，各全向輪均可以相對(duì)支架沿豎直方向單獨(dú)或者同時(shí)沿豎直方向滑動(dòng)，能夠靈活適應(yīng)路面的起伏，從而起到緩沖作用，以減少對(duì)移動(dòng)工具運(yùn)輸時(shí)的震動(dòng)。

同時(shí)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)互成120°角，這種三角形結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)以3組馬達(dá)環(huán)繞的軸心為中心做自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以配合驅(qū)動(dòng)平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的過程中調(diào)整整個(gè)箱體的姿態(tài)，從而達(dá)到終態(tài)所需的姿態(tài)角度。

5)現(xiàn)有行李箱一般設(shè)置三個(gè)超聲波接收器，只可以計(jì)算得出1組發(fā)射裝置位置的空間坐標(biāo)的計(jì)算值，由于存在著無法避免的系統(tǒng)測(cè)量誤差和計(jì)算誤差，該采用三個(gè)接收器方法計(jì)算出的一組坐標(biāo)值往往與發(fā)射裝置實(shí)際位置之間存在較大誤差，從而容易導(dǎo)致定位不精確，反應(yīng)不靈敏。本發(fā)明箱體上設(shè)置四個(gè)超聲波接收器，這四個(gè)接收器共有四個(gè)坐標(biāo)值，每三個(gè)坐標(biāo)值可以相應(yīng)確定一組超聲波發(fā)射裝置的坐標(biāo)值，總共可以確定四組發(fā)射裝置的坐標(biāo)值，再通過最小二乘優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化處理，得到一組坐標(biāo)值，使發(fā)射器到達(dá)四個(gè)接收器的距離最短，提高了定位與跟蹤的抗干擾性和準(zhǔn)確度。

6)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的全向輪作為驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)任意方向上的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，提高了運(yùn)動(dòng)效率和便捷性。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是全向輪安裝示意圖。

圖4是全向輪與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)連接示意圖。

圖5是超聲波發(fā)射電路圖。

圖6是超聲波接收電路圖。

圖7是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖8是依據(jù)四個(gè)超聲波接收器建立的三維坐標(biāo)系。

圖9是pi算法的結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1-4所示，一種全方位智能跟隨行李箱，其包括發(fā)射裝置1和箱體2，所述發(fā)射裝置1包括電源101，控制組件a102和超聲波發(fā)射器103，所述箱體2上設(shè)有四個(gè)超聲波接收器201和行走裝置202，所述四個(gè)超聲波接收器201位于同一接收平面上(該接收平面可以為水平平面，豎直平面或傾斜平面)，發(fā)射裝置1通過超聲波發(fā)射器103向超聲波接收器201發(fā)送超聲波信號(hào)，所述行走裝置202包括控制組件b205和全向輪組206，所述全向輪組206包括至少三個(gè)全向輪207及其各自對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203，控制組件b205接收超聲波接收器201的信號(hào)后向所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203根據(jù)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)全向輪207行走。上述超聲波發(fā)射器103和超聲波接收器201均可采用市售常規(guī)產(chǎn)品。

本發(fā)明的控制組件b205的處理器采用單片機(jī)，該單片機(jī)可以優(yōu)先選用arduinomega2560單片機(jī)，且控制組件b205包括相互通信的主單片機(jī)和從單片機(jī)，所述主單片機(jī)連接四個(gè)超聲波接收器201并接收四個(gè)超聲波接收器201的信號(hào)，所述從單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203帶動(dòng)全向輪207轉(zhuǎn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述全向輪207和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203通過輪架208和底板204安裝在箱體底部，輪架208與底板204連接，且在輪架208和底板204之間設(shè)有伸縮部件209，該伸縮部件209包括減震軸和減振彈簧，減振彈簧套裝在減震軸上。

優(yōu)選的，所述全向輪組包括三個(gè)全向輪207和三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203，所述三個(gè)全向輪203呈三角分布，并等分均勻的安裝在箱體下方，所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)203互成120°角。

優(yōu)選的，本發(fā)明的四個(gè)超聲波接收器201設(shè)置在容納箱體202的頂部，且四個(gè)超聲波接收器201呈矩形分布。這四個(gè)接收器共有四個(gè)坐標(biāo)值，每三個(gè)坐標(biāo)值可以相應(yīng)確定一組超聲波發(fā)射裝置的坐標(biāo)值，總共可以確定四組發(fā)射裝置的坐標(biāo)值，再通過最小二乘優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化處理，得到一組坐標(biāo)值，使發(fā)射器到達(dá)四個(gè)接收器的距離最短，提高了定位的抗干擾性和準(zhǔn)確度。

如圖5所示，所述控制組件b205上的單片機(jī)與超聲波接收器之間設(shè)有超聲波接收電路，所述超聲波接收電路采用芯片cx20106對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大和整形，所述芯片cx20106的管腳1連接超聲波接收器的正相輸出端，管腳2依次通過電阻r3a和電容e11連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳3通過電容e12連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳4直接連接超聲波接收器的反相輸出端，管腳5通過電阻r5a連接電源，管腳6通過電容c3接地，管腳7連接單片機(jī)信號(hào)輸入端，且管腳7還通過上拉電阻r4a連接電源，管腳8直接接電源。

如圖6所示，所述控制組件a的處理器采用單片機(jī)，該單片機(jī)可以優(yōu)先選用arduinonano單片機(jī)，在該單片機(jī)與超聲波發(fā)射器之間設(shè)有超聲波發(fā)射電路，所述超聲波發(fā)射電路采用芯片lm386對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，所述芯片lm386的管腳1通過電容e1和電阻r1a連接管腳8，管腳2和管腳4接地，管腳3連接單片的單片機(jī)信號(hào)輸出端，管腳5通過電容e10連接超聲波發(fā)射器的正相輸入端，同時(shí)管腳5還通過電容c1和r2a連接超聲波發(fā)射器的反相輸入端并接地，管腳6連接電源，管腳7通過電容c2連接超聲波發(fā)射器的反相輸入端并接地。

如圖7所示，所述驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制采用pwm波實(shí)現(xiàn)，控制組件b205通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由4支n溝道功率管組成。

本發(fā)明利用超聲波傳感器檢測(cè)到的發(fā)射器與四個(gè)接收器間的距離(d1,d2,d3,d4)，算出發(fā)射器相對(duì)于所建坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)，從而進(jìn)行定位跟蹤，具體方法為：

首先，如圖8所示，根據(jù)四個(gè)超聲波接收器的位置構(gòu)建三維坐標(biāo)系，并將四個(gè)超聲波接收器的坐標(biāo)定義為：

(x1,y1,z1)＝(0，0,0)，(x2,y2,z2)＝(n,0,0)，(x3,y3,z3)＝(0,m,0)，(x4,y4,z4)＝(n,m,0)；通過使用超聲波傳感器可以獲得從發(fā)射器到接收器間的距離(d1,d2,d3,d4)，結(jié)果是：

其中：d1，d2，d3，d4分別為四個(gè)超聲波接收器坐標(biāo)(0，0，0)，(n，0，0),(0，m，0),(n,m,0)與超聲波發(fā)射器之間的距離；

然后將上式做一個(gè)減法線性化，即①-④，②-④，③-④，得：

之后再做一個(gè)矩陣，即令：

由此，上式簡(jiǎn)化為：ax＝b；

再采用最小二乘優(yōu)化方法優(yōu)化目標(biāo)：

對(duì)x求導(dǎo)，得：2a^t(ax-b)＝0；

即獲得一組最優(yōu)解：x＝(a^ta)^-1a^tb；

如此，根據(jù)最后一個(gè)方程和實(shí)際情況，相應(yīng)得出發(fā)射器的優(yōu)化坐標(biāo)t(x,y,z)；

依據(jù)上述算法，得到發(fā)射裝置的坐標(biāo)位置后，所述控制組件b對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，然后將數(shù)據(jù)處理成帶馬達(dá)的全向輪組不同的速度，由速度的分解和合成，箱體將沿著應(yīng)該去的方向行駛。

本發(fā)明中，全向輪的數(shù)量?jī)?yōu)選為三個(gè)，且三個(gè)全向輪等分均勻的安裝在箱體下方，同時(shí)三個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)互成120°角。

其中，全向輪旋轉(zhuǎn)線速度(v1,v2,v3)和軸上的速度分量(vx,vy,vz)與載體角速度(ω)的關(guān)系如下：

式中：為驅(qū)動(dòng)輪間的夾角，l為箱體中心到輪子中心的水平距離，相當(dāng)于以輪子為圓，l為半徑。

獲得車輪的速度后，保持每個(gè)車輪的速度是下一個(gè)問題。由于地面對(duì)它有摩擦力，不同地方的摩擦力也不同，因此必須保持理想的速度。本發(fā)明采用pi算法，即在過程控制中，按全向輪速度偏差的比例(p)、積分(i)來調(diào)節(jié)矯正速度使之保持理想狀態(tài)(全向輪速度恒定)。

如圖9所示，通過接收到的輸入值，計(jì)算輸出和輸入之間的誤差。然后將其放入pi控制器中，pwm可以保持在一定值左右。可以使用以下公式實(shí)現(xiàn)：

pwm＝e(k)×kp+ki∑e(k)。

其中：pwm是采用pi控制技術(shù)將輸入值通過公式轉(zhuǎn)化成的脈沖寬度調(diào)制波值，kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，是一個(gè)大于0的數(shù)，ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)，e(k)為命令值與輸出值之間的偏差。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡采用等同替換等方式所獲得的技術(shù)方案，均落于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。