多功能智能跟随行李箱控制系统设计一、选题的依据及意义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。

而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。

故而本产品——多功能智能跟随行李箱的设计，符合党的十九届五中全会提出的“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”的时代要求，具有助力科技进步、方便人民生活的社会意义，在实现成本减少后，销量的增加也能带来可观的成本，创造商业价值。

二、国内外研究现状及发展趋势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。

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。

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。

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。

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。

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。

三、项目的具体内容本项目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。

本项目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，项目人员通过分析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。

四、本项目的实施方案1.系统总体设计原理分析1.1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，本项目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双向快充的设计。

其中定位跟随与自动避障功能需要达到精确定位和稳定跟随，是本项目主要的研究对象。

以下对几种技术进行介绍：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，识别到行李箱与用户的距离超过预定的距离后，自动发出报警信号，可显著提高行李箱安全性能。

其报警分为两个距离段：距离超过1.5m时，产生一小段报警声；距离超过2.5m时，不断产生报警声，直至距离恢复至1.5m内。

（6）USB双向快充：采用USB双向快充技术，通过便携式可拆卸电源，实现为行李箱供电的同时，还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的节省用户充电的等待时间。

1.2定位技术分析定位技术总体上分为两类：视觉定位和非视觉定位。

下面对主要的定位技术进行分析。

视觉定位技术优点：可识别用户体态特征，运用灵活，不用携带信号源或遥控器缺点：视觉控制系统和图像处理系统算法复杂，开发难度大；成本高GPS定位技术优点：技术成熟稳定，不受天气影响，卫星有效覆盖范围大缺点：GPS信号受建筑物影响大，且定位精度低蓝牙定位技术优点：受环境干扰较小，功耗低缺点：作用距离短，定位精度低，不便于整合到其他系统中超声波定位技术优点：精度比较高，成本低缺点：容易受环境影响；传输过程中衰减明显UWB超宽带技术超宽带(UWB技术)是一种无线电技术，通过标签、基站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。

缺点：模块成本高。

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基站，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。

蓝牙AOA发展较晚，虽然得到了业界的积极响应和支持，但目前市场上公开的蓝牙5.1定位测向技术极少，而且蓝牙信号的多径反射问题也在一定程度上影响了行李箱定位的精度。

UWB在国内发展有十多年了，其应用广，市场较大，定位精度高，运行稳定。

综合考虑后，本设计采用UWB定位技术实现行李箱的自动跟随与超距离报警功能。

1.3自动跟随及避障技术分析要实现自动跟随功能，需两个步骤：知道目标在哪、能跟着目标运动；在自动跟随的过程中，还需要躲避障碍物，避障叶需要两个步骤：识别障碍物、躲避障碍。

使用定位模块能实现“知道目标在哪”；通过超声波传感器和激光雷达“能识别障碍物”；“跟着目标运动”和“躲避障碍”需要进行动态路径规划并通过动力驱动模块驱动行李箱运动。

本项目采用中间两轮驱动方式来驱动行李箱，通过差速控制实现转向。

行李箱对目标的跟随主要分为两种控制模式：普通跟随和避障跟随。

在普通跟随模式下，前方检测到障碍物时，行李箱自动切换为避障跟随模式.1.4控制系统总体框架根据功能需求和技术原理，行李箱控制系统由控制器、电源模块、定位模块、动力驱动模块、避障模块、指纹解锁模块、智能称重模块、超距离报警模块、USB快充模块九大部分构成。

电源对七大功能模块和控制器进行供电，控制器之间以及模块于控制器之间通过总线传输数据。

1.5行李箱结构设计行李箱的尺寸关系到用户能装多少的行李。

本设计采用20英寸的行李箱作为模型，因此底盘的设计是24cm*36cm。

考虑到多功能智能跟随行李箱的动力驱动模块和其他硬件模块会占用一部分行李箱的单体重量和容量，因此需要将行李箱控制系统各模块合理设计以缩小占用空间，在器件选择上也需要优先选择迷你版。