⽂章2：多功能智能跟随⾏李箱控制系统设计本科毕业设计-【论⽂终稿】
先简单介绍⼀下 下⽂有“长篇⼤论”
全⽂字数： 2.7万；图⽚： 68张；页数(A4)： 80页；有原理图、程序流程图、程序源码等
【关键词】： ⾃动跟随；UWB定位；智能⾏李箱；分布式硬件；指纹解锁；智能称重；超距离报警；USB快充
【创新点】： 1. 在⾃动跟随系统的设计中，对定位技术和定位跟随⽅法进⾏了对⽐分析，建⽴了⾏李箱运动的数学模型，设计出了⼀套⾃动跟随⽅法；2. 在智能跟随⾏李箱功能的设计中，增加了指纹解锁、⾃动称重、超距离报警、USB双向快充四⼤功能；3. 提出了分布式控制系统硬件结构⽅案，以提⾼系统的实时性和可靠性。
【实现功能】： 1. 定位跟随：⾸先通过定位技术，确定⾏李箱与⽤户之间的相对位置，进⽽通过⾃动跟随算法，驱动箱体底部的动⼒电机，最终达到跟随效果。2. ⾃动避障：利⽤超声波、激光雷达等测距传感器识别障碍物，进⽽做出躲避抉择，通过驱动箱体底部的动⼒电机，最终达到避障效果。3. 指纹解锁：通过光电式或电容式指纹传感器进⾏指纹信息的采集和识别，以指纹解锁的⽅式提⾼⾏李箱的安全性能。4. ⾃动称重：通过设计在⾏李箱侧⾯的称重传感器，⾃动测量⾏李箱及箱内物品的整体重量。5.
超距离报警：以定位技术为前提，识别到⾏李箱距离⽤户超过预定的距离值后，⾃动产⽣报警信号，⽤以提⾼⾏李箱的安全性能。超距离报警分两个距离段，当⾏李箱距离⽤户超过1.5m时，产⽣⼀⼩段报警声；当距离超过2.5m时，不断产⽣报警声，直⾄距离恢复⾄1.5m以内。
题⽬：多功能智能跟随⾏李箱控制系统设计
摘要
科技产品不断融⼊⼈们的⽣活，给⼈们带来了便利。近年来，与⼈们出⾏相关的智能跟随⾏李箱产品不断涌⼊市场，其丰富的功能和⾃动跟随特性，在解放了⼈们双⼿的同时，也满⾜了⼈们在旅途中的需求，提⾼了⼈们的旅⾏体验。
本⽂针对市场上智能跟随⾏李箱在功能及⾃动跟随性能上的不⾜，并结合⼈们的需求，进⾏了多功能智能跟随⾏李箱控制系统设计。在⾃动跟随系统的设计中，对定位技术和定位跟随⽅法进⾏了对⽐分析，建⽴了⾏李箱运动的数学模型，设计出了⼀套⾃动跟随⽅法。其中，定位模块基于UWB超宽带定位技术，实现了⾏李箱对⽤户的精准定位，具有较⾼抗多径⼲扰能⼒；TOF+AOA定位⽅法通过降低数量进⽽降低了硬件成本，同时也保证了定位精度；⼯业级的超声波模块能够准确感知环境中的障碍物。另外，本⽂对⾏李箱驱动系统进⾏了分析和计算，以满⾜⾏李箱的动⼒需求。
在智能跟随⾏李箱功能的设计中，增加了指纹解锁、⾃动称重、超距离报警、USB双向快充四⼤功能，并分别根据⾏李箱的使⽤环境进⾏了器件选型及电路设计。在控制系统硬件设计中，提出了分布式控制系统硬件结构⽅案，以提⾼系统的实时性和可靠性。同时对控制系统中⾃动跟随、指纹解锁、智能称重三⼤系统进⾏了软件设计。最后，搭建多功能智能跟随⾏李箱实验测试平台，对系统中各模块的硬件电路及软件程序进⾏测试。
关键词： ⾃动跟随；UWB定位；智能⾏李箱；分布式硬件；指纹解锁
ABSTRACT
Science and technology products continue to integrate into people’s lives and bring convenience to people. In recent years, intelligent following luggage products related to people’s travel have been pouring into the market. Its rich functions and automatic following features not only liberate people’s hands, but also meet people’s needs in the journey and improve people’s travel experience.
In this paper, aiming at the deficiency of the function and automatic following performance of the intelligent following luggage in the market, and combined with people’s needs, a multi-functional intelligent following luggage control system is designed. In the design of automatic following system, the positioning technology and positioning following method are compared and analyzed, the mathe
matical model of trunk movement is established, and a set of automatic following method is designed. Among them, the positioning module is based on UWB positioning technology, which realizes the accurate positioning of the trunk to the user and has high anti multipath interference ability; By reducing the number of base stations, TOF + AOA can reduce the hardware cost and ensure the positioning accuracy; The industrial ultrasonic module can accurately sense the obstacles in the environment. In addition, this paper analyzes and calculates the trunk drive system to meet the power demand of the trunk.
In the design of intelligent following trunk function, four functions are added, including fingerprint unlocking, automatic weighing, over distance alarm and USB two-way fast charging. The device selection and circuit design are carried out according to the use environment of the trunk. In the hardware design of the control system, the hardware structure of the distributed control system is proposed to improve the real-time performance and reliability of the system. At the same time, the software of automatic following, fingerprint unlocking and intelligent weighing system is designed. Finally, a multi-functional intelligent test platform is built to test the hardware circuit and software program of each module in the system.
Key words: automatic following, UWB positioning, intelligent luggage, distributed hardware，fingerpri
nt lock
⽬ 录
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1.绪论
1.1引⾔
科技不断地改变着我们的⽣活。⾏李箱是⼈们旅途中的好帮⼿，最早的⾏李箱可追溯到20世纪20年代的⽊制⼿提箱，随着航空业的发展，轮式⾏李箱于1972年在美国问世[1]。直⾄1987年才出现了装上了轮⼦和拉杆的⽴式拉杆箱，解决了乘务⼈员到处跑的困难，逐渐普及到全球市场。⾏李箱极⼤地⽅便了⼈们的出⾏，如今的⾏李箱不只是设计的更美观更⼈性化，万向轮的使⽤也让拖⾏更加⽅便。在当今的移动互联时代，各种智能化设备⼀步步融⼊⼈们⽇常⽣活的各个领域，智能⾏李箱也不例外。定位防盗、⾃动跟随、智能称重、USB充电等功能通过智能硬件都可以集成在⾏李箱上，尤其是⾃动跟随功能，能让你解放双⼿、边⾛边玩，智能⾏李箱的问世是⾏李箱发展史上的⼀次重⼤突破。但是智能⾏李箱的发展才刚刚开始，市场上的智能⾏李箱有稳定性不佳、性价⽐不⾼的缺点。本⽂设计的多功能智能跟随⾏李箱亦为⼀种⾃动跟随⾏李箱，⽽且有指纹解锁、USB充电、超距报警、智能称重等实⽤功能。
图1.1 1980年的⾏李箱(左) 图1.2 2020年的智能跟随⾏李箱(右)
1.2研究背景及意义
我国正处于科技创新发展关键时期，经济发展也进⼊了新常态，经济增长由⾼速转变为中⾼速。基于此，党的⼗九届五中全会明确提出要强化国家科技⼒量、提升企业科技创新⽔平，以创新驱动、⾼质量供给创造新需求，打造经济发展新动能[2]。科技发展⾄今，沉淀下来的智能器件、模块数不胜数，⽽且有着完善的技术⽀持，在不断的迭代中，这些智能器件和技术不断升级优化，为科研机构、⾼校、企业等场所提供源源不断的研发⽀持。丰富多样的科技产品不断涌进⼈们的⽣活，给⼈们的⽣活带来了显著的变化，产品的智能化程度也越来越⾼，越来越多的智能化产品逐步取代⼈⼯操作，极⼤地提⾼了⼈们的⼯作效率也不断地解放着⼈⼒。智能跟随⾏李箱就是众多科技产品之⼀。
在⼈们的⽣活中，⾏李箱是必不可少的，如果出远门，那⼀定离不开⾏李箱。⾏李箱的发展经过了近⼀个世纪的发展，从⽊制的⼿提箱发展⾄现在的轮式拉杆箱，随着⼈们对其不断改进，不管是从形态上还是实⽤型都发⽣了很⼤的变化，万向轮的应⽤也让⼈们在使⽤中更加⽅便、省⽴，机械密码锁的设计也让⾏李箱更安全。但即使是这样，⼈们的需求仍在不断增长，⾏李箱拖动时间长了会使⼈感觉很累、拖动⾏李箱时⼀只⼿会被占⽤、称重时需要⾃⼰搬到体重秤上很不⽅便、存在遗忘或者被盗窃的风险等等，⽽智能跟随⾏李箱的研究就是为了解决以上问题[17]。早在2011年就出现了⼈们对智能⾏李箱研究的迹象，能实现物品在⾏李箱中的⾃动称重，随后的⼏年⾥，指纹解锁、超距报警、远程定位、⾃动跟随等更多的智能化功能被赋予在⾏李箱上。2016年以后以⾃动跟随为主的多功能智能跟随⾏李箱产品出现的世界各地的市场中。时⾄今⽇，很多智能跟随⾏李箱研发企业根据⼈们的使⽤发聩和机构对⾃家产品的测试以及对智能⾏李箱功能的优化升级，都迭代了数个产品，当今的产品功能更丰富、稳定性也更强，更符合⼈们的需求[3]。
传统⾏李箱⼀般都是⽤拖或者推的⽅式，会⽐较累，⽽且腾不出⼿拿其他物品，虽能满⾜装⾏李的需求，但体验感不是很强。智能跟随⾏李箱是近⼏年才发展出来的新产品，它将近距离定位技术、⽆⼈驾驶技术等智能化技术集中应⽤到了传统拉杆⾏李箱，能够实现⾏李箱⾃动跟随⽤户⾏⾛，同时属于⾏李箱和⾃动跟随机器⼈相关类别的产品。
其丰富的功能带给⼈们各种使⽤体验：其⾃动跟随功能，能让⼈们可以⼀⼿打电话或者发消息，再⼀
⼿提着⼀些物品，解放⽤户双⼿，给使⽤者更多⾃由的空间，减轻了⼈们路途中的负担；其追踪定位和超距离报警功能，能让⾏李箱具有更⾼的安全性能；其指纹解锁、⼿机APP 解锁等电⼦解锁⽅式，在提⾼⾏李箱安全性能的同时，能更快速、更⽅便打开⾃⼰的⾏李箱；其可拆卸便携式移动电源赋予⾏李箱的USB充电功能，能让⼈们给⼿机等电⼦设备应急充电，解决⼈们的不时之需。
新事物发展到成熟都需要经历⼀个漫长的过程，市场上的智能跟随⾏李箱产品普遍存在着各种不同的问题，如稳定性不⾜、跟随效果不好、功能缺乏、价格过⾼等影响⽤户使⽤体验的问题[5]。
本⽂研究的多功能⾃动跟随⾏李箱控制系统，是为了解决⾃动跟随稳定性和精确性问题，并赋予⾏李箱指纹解锁、智能称重、超距报警等更丰富的功能。旨在根据稳定的控制系统更好地改善⽤户旅⾏体验和⽣活⽔平，⽅便⼈们出⾏。另外智能跟随⾏李箱的发展对国家民⽣科技与战略新兴产业的发展具有重要推动作⽤。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外智能跟随⾏李箱研究现状
国外智能跟随⾏李箱的发展相对较早，在2015年4⽉，以⾊列AI Robotics公司曾向公众发布了⼀款机器⼈旅⾏箱产品的概念模型，箱⼦内置摄像头和动⼒驱动装置，可以通过蓝⽛与⽤户⼿机连接，具有
⾃主跟随⽤户⾏⾛并与⽤户进⾏互动交流的功能，⽽且箱⼦可以⾃动检测内部物品的重量，让⽤户在旅途中快速了解⾏李是否超重，同时具有防盗报警器功能，超过预定的安全距离就会报警，除此之外还能通过内置充电系统为⼿机和其他电⼦设备充电。但AI Robotics公司众筹200万美元之后，⾄今尚未将产品交付给消费者，⽬前在做⽆⼈飞⾏器产品[3]。
2016年，美国的Blue smart公司向公众推出了第⼀代智能旅⾏箱产品Blue smart One，相⽐以⾊列AI Robotics公司的机器⼈旅⾏箱概念模型，Blue smart One多出了使⽤⼿机app对箱⼦进⾏GPS定位追踪、⼿机操控上锁解锁、记录飞⾏距离和降落机场等更加丰富的功能。它的出现使得旅⾏箱进⼊到智能物联⽹时代，试图让⾏李箱成为⼈们旅途中的有⼒助⼿。在Blue smart之后，国内外多家科技型创业公司相继推出了类似的产品，其中甚⾄包括美国新秀丽、德国RIMOWA(⽇默⽡)等国际知名箱包⼤牌企业，但功能⽔平参差不齐，存在着稳定性不⾼、实⽤性⽋佳、性价⽐不⾼等诸多问题。
1.3.2国内智能跟随⾏李箱研究现状
国内⾏李箱的发展可以追溯到2016年，安徽的⼀家机器⼈初创公司酷哇机器⼈，在2016年4⽉展⽰了⼀款名叫“COWROBOTR1”的智能⾏李箱概念模型，并开始众筹。它能够实现⾃动跟随及⾃主避障，⾏李箱的外观和普通⾏李箱相差⽆⼏，最⼤的创新点是其驱动轮放置在了⾏李箱底部的中间位置且能够⾃动升降，应⽤了飞机起落架原理。在使⽤中，⽤户能够随时切换⾃动跟随与⼿动模式。与众多国
外产品⼀样，COWROBOTR1有GPS定位系统、距离感应系统、可拆卸的便携式移动电源USB供电等功能。30天的总共筹得58345美⾦，2018年产品做出后售价⼀度⾼达万元，后来公司对功能减配来降低成本，最终公司对产品实际效果和市场并不满意，⽬前酷哇机器⼈公司已经停⽌对智能⾏李箱的研究，现专注于城市复杂场景下智能驾驶和智能⽹联技术的研发及应⽤[3]。
继COWROBOTR1之后，国内曾出现过多家研发和销售智能跟随⾏李箱的企业，包括上海润⽶科技有限公司、北京灵动科技有限公司、常州爱尔威智能科技有限公司、深圳市爱途仕智能科技有限公司等。⽬前除了上海润⽶科技发布了90FUN⾃平衡智能跟随⾏李箱后没有继续研发新品的相关媒体报道外，其余三家公司仍在继续研发和销售智能跟随⾏李箱，其中做的最好的是灵动科技的OVIS智能跟随⾏李箱，有着较强的⾃主跟随稳定性和丰富的⼈性化功能。
图1.3 国内四款⾏李箱，从左到右依次为：爱途仕、酷哇、爱尔威、灵动科技
智能⾏李箱产品发展⾄今，虽相对于初代产品有了很⼤的改进和优化，但在功能跟上、性价⽐上仍有很⼤缺陷，部分品牌⾏李箱还存在着控制效果不好的情况。如：酷哇智能跟随⾏李箱是采⽤激光雷达与摄像头的技术，扫描距离箱⼦最近的⼀个⼈，很容易跟错⼈；爱途仕使⽤蓝⽛信号定位跟踪，但存在配对⿇烦、动⼒不线性、容易跟丢、⼿动时只能纵向推动等严重影响⽤户使⽤体验。
1.4本⽂主要研究内容
本⽂通过分析市场上已存在的多功能智能跟随⾏李箱产品的稳定性、可靠性、功能的丰富性以及是否符合⼈性化的设计，针对⾏李箱的定位跟随系统进⾏了优化设计，保证了⾏李箱⾃动跟随的稳定可靠。在⼈性化设计⽅⾯，增加了指纹解锁、⾃动称重、超距离报警、USB双向快充四⼤功能，充分解决了⽤户的使⽤需求。
本⽂的研究重点是⾃动跟随，⾏李箱⾃动跟随⽤户的实现是基于定位技术、动⼒驱动和定位跟随算法的，本⽂通过分析GPS、机器视觉、UWB等七种主要的定位技术和TOA、TOF、AOA等五种定位跟随⽅法，对⽐选择出适合室外定位且具有精准度⾼、稳定性⾼、抗⼲扰能⼒强的技术⽅法。并针对⾏李箱的⾃动跟随功能，建⽴了⾏李箱运动模型，以便⾃动跟随软件编程的实现。在动⼒驱动设计中，利⽤简化理想模型对动⼒电机的扭矩和转速进⾏了计算，以便⾏李箱的动⼒满⾜⽤户正常的⾏⾛速度。
在控制⽅案的选择中，基于较⾼的实时性和可靠性需求，选择多处理器分布式控制，同时便于控制系统的升级与维护。在其他功能的实现上，通过对相关参考⽂献的研读，分析了各功能实现的相关技术原理，然后进⾏硬、软件设计。硬件设计包括模块选型和电路设计，模块选型时，本设计基于⼩体积、⼩重量、低功耗、较⾼的抗⼲扰能⼒和防⽔能⼒、较⾼的集成能⼒等原则，选择出适合安装于⾏李箱中的模块器件。在电路设计中根据⾃⾝的知识储备以及相关硬件的⽤户⼿册、数据⼿册，设计出合理了的硬件⽅案。软件设计包括⾃动跟随系统软件设计、指纹解锁软件设计、智能称重软件设计三⼤部分，软件设计中基于硬件电路和控制器对各功能部分进⾏了设计。最后，对系统各功能部分进⾏了测试分析，在功能模块单独测试⽆误条件下，综合各部分模块进⾏联调联试，分析多功能智能跟随⾏李箱的综合性能。
2.系统总体设计与原理分析
本章主要对智能跟随⾏李箱控制系统进⾏总体设计规划，提出了功能需求，并分析、对⽐了定位与跟随技术相关的理论基础与实现⽅法，最后对⾏李箱的材质、尺⼨、外观等⽅⾯进⾏了说明，提出了控制系统的被控对象。
2.1总体功能需求分析
根据对市场上智能跟随⾏李箱的调查研究以及⽤户的反馈，本设计的主要内容包括对定位跟随、⾃动
避障、指纹解锁、⾃动称重、超距离报警、USB双向快充功能的设计。其中定位跟随与⾃动避障功能需达到精确定位和稳定跟随，是主要的研究对象。
定位跟随： ⾸先通过定位技术，确定⾏李箱与⽤户之间的相对位置，进⽽通过⾃动跟随算法，驱动箱体底部的动⼒电机，最终达到跟随效果。
⾃动避障： 利⽤超声波、激光雷达等测距传感器识别障碍物，进⽽做出躲避抉择，通过驱动箱体底部的动⼒电机，最终达到避障效果。
指纹解锁： 通过光电式或电容式指纹传感器进⾏指纹信息的采集和识别，以指纹解锁的⽅式提⾼⾏李箱的安全性能。
⾃动称重： 通过设计在⾏李箱侧⾯的称重传感器，⾃动测量⾏李箱及箱内物品的整体重量。
超距离报警： 以定位技术为前提，识别到⾏李箱距离⽤户超过预定的距离值后，⾃动产⽣报警信号，⽤以提⾼⾏李箱的安全性能。超距离报警分两个距离段，当⾏李箱距离⽤户超过1.5m时，产⽣⼀⼩段报警声；当距离超过2.5m时，不断产⽣报警声，直⾄距离恢复⾄1.5m以内。
USB双向快充： 采⽤USB双向快充技术，通过便携式可拆卸的电源，实现为⾏李箱⼯供电的同时，可为⽤户的智能设备应急供电。其中快充技术的实现能够极⼤节省⽤户充电的等待时间。
通过以上的功能，旨在将现代科技带⼊到⼈们的⽇常⽣活中，为智能跟随⾏李箱⽤户更好的使⽤体验。对于以上功能的具体原理及技术分析，将在本章后半部分叙述。
2.2定位技术与定位⽅法原理分析
定位技术有很多种，但总体上分为两⼤类：视觉定位和⾮视觉定位[13]。视觉定位技术是通过视觉系统，依据图像识别的算法提取⽬标位置信息。⾮视觉定位技术主要是依靠具有能量和传播⽅向的信号⼤⾯积覆盖，根据信号传播时间、能量衰减、相位、⾓度等关系计算机器⼈和移动⽬标之间的位置关系，如超声波、激光、蓝⽛、WiFi、UWB超宽带。
2.2.1定位技术分析
⾃动跟随系统实现的前提是定位技术，下⾯对主要的定位技术进⾏分析:
（1）视觉定位技术
借助视觉传感器完成，机器⼈借助单⽬、双⽬摄像头、深度摄像机、视频信号数字化设备或基于DSP的快速信号处理器等其他外部设备获取图像，
优点： 能够识别⽤户体态特征，运⽤灵活，不⽤携带信号源或者遥控器。
缺点： 视觉控制系统和图像处理算法较为复杂，开发难度⼤；由于图像处理量巨⼤，⼀般计算机⽆法完成运算；实时性较差且受光线条件限制较⼤，⽆法在⿊暗环境中⼯作；成本很⾼；识别⼈的背后，⼈多的时候穿插⾛动容易误判跟丢。
（2）GPS定位技术
GPS全球卫星定位导航系统，是利⽤导航卫星进⾏测时、测距，通过地球上的接收机接收卫星发出的电磁波并进⾏解析，进⽽测算出地⾯点的三维坐标值，是⽬前市场上应⽤最为⼴泛的室外定位技术，它可以为地球表⾯绝⼤部分地区（98%）提供准确的定位。
优点： 技术成熟稳定，卫星有效覆盖范围⼤，不易受任何天⽓的影响，且定位导航信号免费。
缺点： GPS信号受建筑物的影响较⼤，且定位精度较低，因此室内定位并不适⽤。
（3）蓝⽛定位技术
蓝⽛定位技术是基于RSSI（Received Signal Strength
Indication，信号场强指⽰）定位原理。通过测量不同下的RSSI值，再通过定位算法计算出⽬标的具体位置。
优点： 受环境⼲扰较⼩，功耗低。
缺点： 传统的蓝⽛定位技术作⽤距离短，定位精度低，不便于整合到其它系统中。
需要说明的是：蓝⽛国际标准组织（SIG，Bluetooth Special Interest Group）在2018年1⽉28⽇发布的蓝⽛规范实现5.1版本，通过蓝⽛5.1AOA定位技术，不仅可以检测到特定对象的距离，还可以检测它所处的⽅向，可⽤以实现厘⽶级定位精度。
（4）红外线定位技术
通过给固定空间安放的多个红外传感器测量信号源的距离或⾓度，从⽽计算出对象所在的位置。
优点： 具有相对较⾼的室内定位精度。
缺点： 不适⽤于室外。功耗较⼤，且常常受到室内墙体或物体的阻隔，受热源、灯光等⼲扰会造成定位精度和准确度下降。实⽤性较差。
（5）超声波定位技术
通过适当布置传感器的位置，利⽤超声波测距的原理，经过计算后可以得到主体在⼆维或三维空间的位置。
优点： 精度可达厘⽶级，精度⽐较⾼，成本低，
缺点： 容易受天⽓、周围环境等以及障碍物阴影，表⾯粗糙等外界环境的影响，在空⽓中的传播距离⽐较短，适⽤范围较⼩，测距距离较短，采集速度慢，导航精度差；在传输过程中衰减明显，从⽽影响其定位有效范围，⽽且周围不能持续有同频的超声波⼲扰。
（6）UWB超宽带定位技术
超宽带(UWB技术)是⼀种⽆线电技术，通过标签、之间相互发送电磁波进⾏通信，进⽽准确地测量⽆线电信号的飞⾏时间，从⽽实现厘⽶精度的距离、位置测量。
优点： 实时性好、系统复杂度低、定位精度⾼、抗多能⼒强。
行李箱怎么改密码缺点： 模块成本⾼。
（7）RFID定位技术
与蓝⽛定位技术相似，是基于RSSI定位原理。通过测量不同下的RSSI值，再通过定位算法计算出⽬标的具体位置。
优点： 成本很低，标签体积很⼩，可制作成薄⽚的形状。
缺点： 定位误差⼤，系统部署复杂，容易受到环境影响。
对于以上定位技术，蓝⽛、RFID、UWB超宽带实现定位的⽅法属于信标定位和三⾓测量法，需要在环境内铺设信标或者信号，其中UWB超宽带定位成本较⾼。GPS卫星导航定位只能⽤于室外⽆遮挡环境，且民⽤GPS定位精度低，误差超过1m，⽽红外线定位技术则只能应⽤于可⼤⾯积布置信号发射源的室内[4]。
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