CN201441045U - 智能跟踪助力行李架 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能跟踪助力行李架，包括行李架本体和手持装置两大部分，行李架本体上安装有红外接收模块、超声波测距模块、无线接收模块、电机驱动模块、报警及状态显示模块、手调电位器、单片机和行走机构；手持装置上设有红外发射模块、无线发射模块和按键。本实用新型通过红外信号的发射与接收，以及单片机的自动控制实现了行李架的智能跟踪和自动行走，在跟踪模式下能够识别特定人员并且实现自主跟踪，在助力模式下可应用于拥挤或环境复杂情况下。

Description

智能跟踪助力行李架

技术领域

本实用新型涉及一种自动控制的能够拖动行李行走的行李架，属于行李架技术领域。

背景技术

人们外出旅行时，所需用品通常放置在行李架上托运，现用的各种行李架或行李箱都必须靠人力拖行，费力且不方便，尤其是对老人及残障人士来说更为不便。随着社会的发展与不断进步，人们的生活质量也越来越高，智能化是一大趋势。

发明内容

本实用新型针对现有行李架存在的靠人力拖行、费力不便的问题，提供一种能够智能跟踪、自动行走、使用方便的智能跟踪助力行李架。该智能跟踪助力行李架，在跟踪模式下能够识别特定人员并且实现自主跟踪，在助力模式下可应用于拥挤或环境复杂情况下。

本实用新型的智能跟踪助力行李架采用以下技术方案：

该智能跟踪助力行李架，包括行李架本体和手持装置两大部分，行李架本体上安装有红外接收模块、超声波测距模块、无线接收模块、电机驱动模块、报警及状态显示模块、手调电位器、单片机和行走机构，红外接收模块、超声波测距模块、无线接收模块、电机驱动模块、报警及状态显示模块均与单片机连接，手调电位器安装在行李架本体前部的伸缩拉杆上，与单片机连接，行走机构包括安装在行李架本体前后部的两个主动轮和两个从动轮，每个主动轮与一个电机直接连接，电机安装在行李架本体的底部；手持装置上设有红外发射模块、无线发射模块和按键，按键与无线发射模块连接。

上述行李架有跟踪模式与助力模式两种工作模式，其中跟踪模式是使用者手持或腰挂手持装置，通过手持装置中红外发射模块发出经调制后的56.9k的红外信号，照射到安装在行李架体前方的红外接收装置上，红外接收装置将接收到的信号传给单片机，单片机根据接收到信号的情况，按照一定的算法，确定使用者偏离行李架体的角度，单片机发送控制信号给电机驱动模块，电机驱动模块控制两个电机的运动，从而使行李架体保持正对红外信号发射源。同时，行李架上的超声波测距模块测量行李架体与其前方使用者或障碍物的距离，当与使用者的距离达到一定值时，行李架体就会停止行进，这样就能使行李架在跟踪使用者的同时保持一定的距离。行李架体能够始终保持一定的距离自动跟踪使用者且有避障的功能，当遇到意外情况发生信号源丢失时，会通过报警及状态显示模块自动报警。在助力模式下，使用者手拉行李架体前部的可伸缩拉杆，手调电位器安装在可伸缩拉杆上，转动手调电位器上的调速旋钮，可根据自己的行走速度来自由的调节驱动电机的速度，不仅在平地上可以行走，在楼梯上行走也可以采取这种模式。两种模式适合不同的环境，可根据情况适当切换，增强了其环境适应能力。模式的更换是靠手持装置中的按键来无线操作的，方便简单。使用者手中按键的信息通过无线发射模块发送出去，行李架上的无线接收模块接收到信息，传给单片机，单片机根据信息情况，来更改行李架的工作模式，包括跟踪模式、助力模式及停止、手动调节。

确定使用者偏离行李架体的角度的跟踪算法采用了数据融合的方法，具体过程如下：

首先，三个超声波测量的距离若有任何一个小于550mm则行李架停止，这样主要是为了使行李架与使用者之间保持一定的距离，达到这个距离就该停止，另外还有避障的功能，有障碍物也会停下来，这样就产生了一个问题，此时可通过按键s4来手动调节恢复正常状态。当然，这种意外情况很少发生。

其次，若无上述情况，再考虑测量的偏离角度，若偏离角度在死区(-15°～15°)设置范围之内，则行李架直行。设置死区的目的是消除系统的振荡，在实验中发现，偏离角度较小时，行李架很容易左右摆动。当直行时，也考虑到了距离的数据，此时参考的是中间位置声纳s的数据，因为它是正对前方的。距离大，则直行速度大；距离小则直行速度小。这样，使行李架尽快跟踪上使用者。

再次，若无上述两种情况，就考虑偏离角度，让行李架转弯。偏离角度与转弯速度之间是线性关系，偏离角度越大，转弯速度越大。

本实用新型通过红外信号的发射与接收，以及单片机的自动控制实现了行李架的智能跟踪和自动行走，在跟踪模式下能够识别特定人员并且实现自主跟踪，在助力模式下可应用于拥挤或环境复杂情况下。

附图说明

图1是本实用新型行李架的结构示意图。

图2是本实用新型中的行李架本体的结构框图。

图3是本实用新型中的手持装置的结构框图。

图4是本实用新型中红外接收模块的电路原理图。

图5是红外接收模块上红外接收头的分布示意图。

图6是本实用新型中超声波测距模块与单片机的电路连接原理图。

图7是超声波换能器的安装位置示意图。

图8是本实用新型手持装置上红外发射模块的电路原理图。

图9是本实用新型手持装置上无线发射模块与按键的连接电路原理图。

图10是本实用新型的红外接收确定偏离角度的算法示意图。

图11是本实用新型的总体控制运行程序流程图。

图中：1、红外接收模块，2、超声波测距模块，3、无线接收模块，4、电机驱动模块，5、报警及状态显示模块，6、手调电位器，7、单片机，8、红外发射模块，9、无线发射模块，10、按键，11、主动轮，12、从动轮，13、伸缩拉杆。

具体实施方式

本实用新型的智能跟踪助力行李架主要包括行李架本体和手持装置两大部分，行李架本体的立体结构如图1所示，其结构框图如图2所示，手持装置的结构框图如图3所示。

如图1和图2所示，行李架本体上安装有红外接收模块1、超声波测距模块2、无线接收模块3、电机驱动模块4、报警及状态显示模块5、手调电位器6和单片机7，另外行李架本体的底部还安装有行走机构。行走机构采用四轮结构(参见图1)，两个主动轮11安装在行李架本体的前部，两个从动轮12安装在行李架本体的后部，既增加了稳定性，又便于转弯。每个主动轮11由一个电机驱动，驱动电机安装在行李架本体的底部，驱动电机直接带动主动轮11运动。行李架本体的后部设有伸缩拉杆13。其中行李架本体的前端部分能够以与底板的连接处为中心旋转，这样可手动调节使效果更好。单片机7采集无线接收模块9的数据进行模式选择。若是跟踪模式的话，单片机7采集红外接收模块1的数据，并利用超声波测距模块2测量的距离，将两者的数据进行融合，依据一定的算法，得出发给电机驱动模块4的命令，驱动电机运动，达到跟踪的目的，同时根据信号的情况，会有报警提示。若是助力模式的话，单片机7采集手调电位器6的电压值，转换为数字量，根据数字量的大小，发送相应的命令给电机驱动模块4，驱动电机运动，达到助力的目的。

手持装置的结构如图3所示，其上设有红外发射模块8、无线发射模块9和按键10。红外发射模块8一直在发射调制后的红外信号，使行李架体能够跟踪到红外信号发射源。当某个按键按下时，无线发射模块9就会把相应信息发送出去。

图4给出了红外接收模块1的电路原理图，红外接收采用一体化红外接收头PNA4614M，接收灵敏度高，接收的红外线频率为56.9k。它有三个引脚，地、电源、输出。采用+5v供电，输出端为数字信号，直接与单片机7的I/O口连接。本实用新型共采用了13个红外接收头，每个红外接收头的输出端还连接了发光二极管，主要用于信号的显示。如图5所示，13个红外接收头按角度均匀分布在行李架本体前部180度的弧形范围内，以接受来自多个方向的信号。

图6给出了行李架体上的超声波测距模块2与单片机7的电路连接原理图，超声波测距模块2使用的是senscomp 6500，+5v供电，地与v+之间的470uf的电解电容是缓冲上电过程的跳变，1uf的陶瓷电容是抗干扰的。由于超声波测距模块2输出的信号端ECHO为集电极开路输出，故上拉4.7k的电阻到v+端。每个超声波测距模块2占用单片机7的两个端口。一个为启动测距的端口，另一个为接收到返回信号的端口。返回信号的端口是与单片机7的具有外部中断的端口连接的，利用单片机7的定时器，接收到返回信号时，进入中断，计算时间，进而计算出距离。通过安装在行李架本体上的超声波换能器提供超声波，超声波换能器的安装位置如图7所示，由于每个换能器都有30度的波束角，故本实用新型共使用三个超声波测距模块，以增大超声波测距的广度。三个超声波测距采取了轮询方式，每个超声波测量距离占用30ms，在某一时刻只有一个超声波模块在测距，这样消除了干扰。

图8给出了手持装置上的红外发射模块8的电路原理图。采用NE555N产生一定频率的脉冲波，但电流较小，故后接了放大电路将信号放大后驱动红外发光二极管，这样发射的距离就会远些。

图9给出了手持装置上的无线发射模块9与按键10的连接电路原理图。无线发射模块9采用FSK-2A，有六个引脚：GND、VCC、10、11、12、13。信号端口为10、11、12、13。信号端口通过10k的电阻接地，再通过按键与5v相接。当某个按键按下时，端口电平拉高，则无线发射模块就会把按键10的信息发送出去。

手持装置中的按键10具有以下功能：

S1---启动跟踪模式，按下此键后，行李架工作模式为跟踪模式，将自主跟踪使用者并保持一定的距离。

S2---启动助力模式，按下此键后，行李架工作模式为助力模式，此时，可调节拉杆上的旋钮来调节电机的速度。

S3---停止键，按下此键后，行李架停止，在意外及需要的时候，可急停。

S4---手动调节行李架按键。在意外情况发生的时候，可手动调节使行李架恢复正常状态。手动调节具体做法为：按第一次，行李架以一定的速度后退，再按一次行李架以一定的速度原地右转，再按一次行李架以一定的速度原地左转，之后再按的话，行李架就会在右转与左转之间切换，这样当行李架调整到合适的位置与角度的时候，就可以按下S1键启动跟踪模式，将行李架恢复到正常状态。

本实用新型通过红外接收确定偏离角度的算法如图10所示。红外接收头具有一个Vout输出端，输出为数字量，当未接收到56.9k的红外信号的时候，输出高电平，当接收到时，输出为低电平。由于输出的为数字量，故Vout端直接与单片机的I/O口相连接。在读取13个红外接收头信号的程序中对其取反，则接收到信号的接收头情况为1。这些状态是存取在数组Port[13]中的。本实用新型将13个红外接收头HJ1-HJ13分布在一个180度的圆弧形的铝条上达到找寻发射源位置的目的。将每个接收头的信号引出来接到一块电路板上以便传入单片机内进行处理。在接收的定位和算法方面，分别将HJ1---HJ13的度数定义为-90、-75、-60、-45、-30、-15、0、15、30、45、60、75、90，存取在数组TabAngle[13]中，赋予每个接收头一个角度的权值，然后根据接收头接收到信号的情况进行计算，具体算法为

如图10中所示，红外发射源发射的红外线呈现一个圆锥形，照射在红外接收头上的情况如图10中A、B所示。在这种情况下，物体实际偏离行李架本身的角度就可以用上述算法计算出来。例如，图中B点的状况，Port[13]＝{0，0，0，0，1，1，1，1，1，1，1，0，0}，TabAngle[13]＝{-90，-75，-60，-45，-30，-15，0，15，30，45，60，75，90}是固定的，则偏离的角度＝(-90*0+(-75)*0+(-60)*0+(-45)*0+(-30)*1+(-15)*1+0*1+15*1+30*1+45*1+60*1+75*0+90*0)/7＝15(度)，即HJ8位置的偏离角度。

另外，由于系统对角度的实时性要求高一些，程序中对偏离角度的采样时间为90ms，经实验验证，满足系统对实时性的要求。红外线易反射，但圆弧形的硬件设计与上述算法使得系统有一定的滤波能力。

本实用新型的总体运行控制程序流程如图11所示。本实用新型具有以下特点：

(1)目标跟踪方法采用调制后的红外信号，成本低，简单易行且可靠，抗除普通光线的干扰。

(2)采用红外线与超声波数据融合的方法实现跟踪，有所创新。

(3)更改工作模式是通过无线控制的，方便、简单。

(4)具有急停，报警等功能，使行李架随时在使用者的掌控之内，不会发生意外。

Claims (1)

1.一种智能跟踪助力行李架，包括行李架本体和手持装置两大部分，其特征在于：行李架本体上安装有红外接收模块、超声波测距模块、无线接收模块、电机驱动模块、报警及状态显示模块、手调电位器、单片机和行走机构，红外接收模块、超声波测距模块、无线接收模块、电机驱动模块、报警及状态显示模块均与单片机连接，手调电位器安装在行李架本体前部的伸缩拉杆上，与单片机连接，行走机构包括安装在行李架本体前后部的两个主动轮和两个从动轮，每个主动轮与一个电机直接连接，电机安装在行李架本体的底部；手持装置上设有红外发射模块、无线发射模块和按键，按键与无线发射模块连接。

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