机电一体化大作业自动跟随行李箱设计组长：刘志鸿20127631(模型建模)组员: 张平亮20127624(模型建模)郑顺 20127627 孙健锟20127633（控制系统）曾小良 20127632 胡宇涵20127626（传动，程序）指导老师：李敏2014年11月目录自动跟随行李箱设计................................................. ○总体思路........................................................... 二1.引言............................................................. 二2.控制系统硬件设计思路............................................. 二2.1控制芯片的设计............................................. 三2.2超声波传感器的设计......................................... 三2.3电源的设计............... 四2.4 无线串口模块设计........................................ 五2.5 直流电机驱动设计........................................ 六2.6蓄电池的选择............................................... 九3.传动设计......................................................... 九4.程序设计....................................................... 十一5.模型结构....................................................... 十二自动跟随行李箱设计总体思路控制系统通过测距传感器感知主人的方位与距离，以实现智能跟随的功能。

硬件电路主要采用单片机、超声波测距模块、电机驱动模块、无线串口信号传输模块；软件部分由上下位传感器调试程序构成。

行李箱的驱动采用直流电机驱动，直流电机的动力来源由蓄电池提供。

总体参数设计：行李箱的外观尺寸为70cm ×40cm ×20cm ，总质量20kg 、根据成人步行的一般速度设计跟随速度为1m s ，正常工作时间为4小时。

（计算所涉及的重力加速度210mg s 。

）1.引言随着社会的进步，智能化技术已经应用到各行各业，利用传感器自动导航的机器人已经得到应用，但使用CCD 摄像头传感器，价格高，处理复杂，成本高，如果在自动跟随行李箱中采用超声波传感器，其传感器有体积小，处理简单，成本低等优点，因此本设计中采用超声波传感器，成功实现行李箱的自动跟随。

2.控制系统硬件设计思路单片机通过采集行李箱前面5个超声波的值，判断行人的当前位置，然后控制直流电机，实现行李箱的转向，前进，后退等功能，单片机通过无线串口模块，把当前传感器数据传输给上位机，通过上位机数据显示来进行传感器好坏的判断和距离阀值的修改。

图1 控制系统硬件控制结构图2.1控制芯片的设计本控制器采用飞思卡尔公司生产的S12XS128芯片做控制芯片，S12芯片具有SCI,PWM等功能，同时具有丰富的I/O引脚，成本低廉是用方便，可以实现本控制器的功能。

图2 控制芯片电路图2.2超声波传感器的设计本传感器采用HY-SRF超声波模块，工作电压为5V，工作电流为15MA，工作频率40HZ，最远探测距离4.5M，最近探测距离2CM，探测角度为15度，在本设计中行李箱前部均匀分布有5个传感器，实现前方都可以探测到人，防止视野死角。

图3 超声波传感器电路图图4 超声波模块2.3电源的设计在本设计中单片机，超声波模块，无线串口都需要5V供电，所以电源采用LM2940提供5V电压。

LM2940电路原理如图所示。

图5 LM2940电路原理图2.4 无线串口模块设计无线串口采用APC200-43多通道为功率嵌入式无线数据传输模块。

APC200-43模块式高度集成半双工微功率无线数据传输模块，提供多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，发射频率等各种参数，同时具有小体积宽电压运行，传输距离较远可以应用与本设计中。

图6 APC200-43无线串口模块APC200A-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。

创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。

APC200A-43模块提供了多个频道的选择，能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三种接口。

同时小体积，宽电压运行，较远传输距，丰富便捷的软件编程设置功能，使APC200A-43模块能够应用与非常广泛的领域。

2.5 直流电机驱动设计在本设计中电机驱动模块采用L298N 双H 桥直流电机驱动器。

本驱动供电范围5v-7v ，最大功率20W 。

本模块可以控制2个直流电机的正反停。

因为是四轮驱动，所以采用2块L298N 双H 桥直流电机驱动器可满足要求。

轮半径R=5cm ，跟随速度为1m s。

假设行李箱质量分布均匀，则有每一个轮所受的力为50N 。

轮胎与路面的滚动摩擦系数如下表，将行李箱滚轮近似视为实心橡胶轮胎，路面为优质路面，将滚动摩擦系数近似取0.1。

表1 轮胎与路面的滚动摩擦系数表则有：每一个滚轮所受到的滚动摩擦力：0.1505f p fN N N==⨯=，滚动摩擦力形成的力矩：25(510)N m 0.25N m f P f M P R -==⨯⨯⋅=⋅；行李箱受到的总摩擦力：44520f f F P N N==⨯=，总的摩擦力矩：440.251f f F P M M N m N m==⨯⋅=⋅滚轮角速度：2120510v radrad s s rω-===⨯， 转速：203.22rn s π=≈。

电机的输出转矩T 和总的摩擦力矩相等，则有电机的输出功率1 3.2600.020272095499549Tn P Kw Kw W ⨯⨯==≈≈。

考虑到电机效率一般为80%，故实际电机功率P20=W=25W 0.8P η=实根据摩擦力扭矩1N ·M 选择电机型号，并结合控制电路所选电机如下表加色行,具体参数见表格。

表2 JGB37-520直流电机参数表型号：JGB37-520参数表电压Voltage 空载No Load 堵转Stall 减速器Reducer 重量范围 额定 转速 电流 转速 电流 扭矩 扭矩 电流 减速比 尺寸 Weight Workable Rated Speed Current Speed Current Torque Torque Current Ratio Size 单位Range Volt.Vrpm ma rpm ma kg.cm kg.cm A 1:00 mm g3-9 6v 1280 300 896 700 0.07 0.28 2 6.25 19 144 3-9V 6V 800 300 640 700 0.1 0.4 2 10 19 144 3-9V 6V 425 300 340 700 0.18 0.72 2 18.8 22 150 3-9V 6V 266 200 212 500 0.3 1.2 2 30 22 150 3-9V 6V 142 200 113 400 0.56 2.2 2 56 24 158 3-9V 6V 88 100 70 400 0.9 3.6 2 90 24 1583-9V6V61100483501.35.2213126.531{kw}651095499549 3.765420p T N m n -⨯=⨯=⨯=⋅， 446210.09812510.050.1 4.906251032J LD kg m πρ-==⨯⨯⨯=⨯⋅,320(T J ) 2.5(1.1875 2.5210)1923.352L L L L P K Wαω-=+=⨯+⨯⨯=,222262621111223210101010()J () 4.9062510() 4.90625100.1()251022.5210L D D J J W D kg m ------⨯⨯=++=⨯+⨯⨯+⨯⨯=⨯⋅10052.6319n l N i N ===，m N i i a i T J J TTL i m L⋅=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+++⋅=86.3max 2max2ηη,2max 2max max 0.1050.105 3.86 1.852.6822.56P T nL i W==⨯⨯⨯=,说明：1J ：轮1的转动惯量[2kg cm ⋅]； 2J ：轮2的转动惯量[2kg cm ⋅]；W ：皮带和工件的总质量（kg ）；1D ：轮1的直径（cm ）； 2D ：轮2的直径（cm ）；综上，电机功率选择25W 。

2.6蓄电池的选择由于直流电机是该行李箱的主要耗能部件，因此我们在选择蓄电池的时候主要根据直流电机的参数来确定蓄电池的参数。

根据前面的计算和查阅资料我们知道电机的功率为25W，工作电压为5V，工作电流为1A，正常工作时间为4小时。

故蓄电池容量为Q=It=1×4=4Ah。

根据市场上出售的蓄电池，我们选用6V，4.5Ah 的蓄电池。

蓄电池输出的电经DC-DC电路将电压转换为5V后输送到直流电机。

考虑到成本，我们采用LC-RO64R5(6V4.5AH)铅酸蓄电池。

表3 LC-RO64R5(6V4.5AH)铅酸蓄电池基本参数外型尺寸：70*48*102，总高108（mm）类型：固定型蓄电池化学类型：铅酸蓄电池型号：LC-RO64R5NA 6V4.5AH品牌：Panasonic 松下4.5AH额定容量：3.传动设计传动模型如图7所示，图7 电机、传动装置和负载的传动模型图中m J 电动机M 转子的转动惯量mθ电动机M 的角位移 LJ 负载L 的转动惯量 LF T 摩擦阻转矩i----齿轮系G 的总传动比根据传动关系有：m m m L L L i θθθθθθ••••••===；其中：m m m θθθ•••、、分别为电动机的角位移、角速度、角加速度；L L L θθθ•••、、分别为负载的角位移、角速度、角加速度； LF T 换算到电动机轴上的阻抗转矩为/LF F T i ；L J 换算到电动机轴上的阻抗转矩为/L J P 。