新型減負拉桿箱的設計

李慧秀，徐茂華

（大連科技學院電氣工程學院，大連 116052）

1 引言

當前社會上做微商的人越來越多，尤其去日本韓國拿化妝品回來在朋友圈里賣的人越來越多，這時拉桿箱就成為必不可少的拖載物品。而我們大部分的拉桿箱都配有4個小輪的拉桿箱，除可作360度的旋轉外，在平地更可以推動，但隨著我們需要攜帶物品數量的增加，拉桿箱攜帶物品也不是一件輕松的事情了。根據調查了解，如果拉動拉桿箱時間過長，即便有輪子輔助，也會使人身體疲憊，尤其對于一些微商，出國大量采購，如此多的物品即使有拉桿箱托運，也會很累。如今隨著科技的高速發展，我們可以將智能化運用到多個領域，在智能化的基礎上對拉桿箱進行設計和改造，使拉桿箱可以不耗費人力行走，方便行李托運，滿足人們的出行需求。

2 系統整體方案設計

該電動拉桿箱電氣控制部分是由電源模塊，主控模塊，狀態檢測模塊，電機驅動模塊，顯示模塊，狀態控制模塊以及電機七部分組成。通過對編碼器與狀態檢測的數據融合，獲得了實時的、低噪聲的拉桿箱傾角信息與電機轉速信息，采用雙閉環控制算法調整PWM占空比來控制電機轉動實現拉桿箱前行后退、轉向等功能。系統結構框圖見圖1所示：

圖1 系統結構框圖

2.1 硬件電路設計

電源模塊：

在電源這一塊，主要由三塊可充電的12V鋰電池來供電，通過可防止插反的T型接頭接入電源電路。首先，在開關的后面設計了一個電壓檢測電路，其目的是實時檢測電池電壓并在OLED屏上顯示出來。當供電電壓低于保護電壓時，LED燈閃爍提示充電，而不至于過度放電導致電池損壞。由于控制板還需要其他電壓，所以還需要通過LM317降壓后穩壓在15V，在通過LM7805降壓后穩壓在5V，這個轉換出來的電壓主要用于傳感器及電機驅動；最后，在5V的基礎上又通過LM1117三端穩壓為3.3V，這個3.3V主要是給低功耗元器件供電的，比如說STM32、OLED等都需要3.3V電壓供電。

2.2 主控模塊

主控模塊選擇STM32F103C8T6作為中央控制器。在拉桿箱主控系統設計中采用1個復位按鈕，可用于復位STM32系統上的相關外設；1個SW調試下載接口，極大的精簡了下載調試需要占用的IO資源和PCB板整體尺寸，SW只需兩個IO口即可在線仿真調試，能夠清楚的觀測到STM32內核寄存器運行狀態及相關變量，為后期的調試帶來很大的便利。

2.3 狀態檢測模塊

該拉桿箱使用MPU6050芯片作為狀態監測電路。為滿足拉桿箱行走時的平衡需求，傳感器集成了陀螺儀和加速器，系統運行時X軸和Y軸實時輸出數值，IIC接口鏈接STM32，用以采集檢測數值。我們利用卡爾曼濾波算法處理加速度值和陀螺儀值來進行運行姿態估計，通過數值變化準確反映出拉桿箱行駛速度和姿態變化，保證拉桿箱平穩運行。

圖2 電源模塊

圖3 主控模塊

圖4 狀態檢測模塊

2.4 狀態控制模塊

當我們要轉彎時，為識別轉彎意圖和測量轉動角，我們可以采用旋轉變阻器轉角傳感器來實現這一目的。當傳感器識別到使用者轉彎意圖的同時，向運算模塊發出轉彎指令以及轉角數據。轉角傳感器可安裝在拉桿上，運行過程中傳感器直接輸出角度成比例的電壓值給運算模塊，運算模塊再根據實時電壓值判斷轉彎情況，調整轉彎角度來實現成功轉彎。

2.5 電機驅動模塊

該模塊使用的是250W36V的有刷直流減速電機，利用功率NMOS管的開關特性，配合IR2104S半橋驅動器組成H全橋電機驅動電路方案，簡單實用、廉價、性能滿足使用需求。

2.6 編碼器電路

該系統選用AS5040旋轉磁編碼器芯片。AS5040旋轉磁編碼器擁有磁鐵位置檢測和斷電監測的故障檢測模式，旋轉速率高達10000rpm。該編碼器使用的是正交編碼模式，可通過A_LSB_U、B_Dir_V引腳輸出正交A/B相的矩形脈沖波，利用STM32編碼器模式的輸入捕獲功能和軟件四倍頻法可直接測量矩形脈沖數并通過公式計算可得電機實時轉動速度。可以很方便測量出電機的轉速。

圖5 電機驅動模塊

2.7 顯示模塊

該設計中使用的是6線的SPI串行通信的OLED顯示屏，它的分辨率為128*64，能顯示漢字、圖片、字符等多樣化的信息。

3 軟件設計

系統初始化后檢測電源開關是否合上，合上后經MPU6050及AS5040進行數據采集，得到拉桿箱當前狀態并送到MCU，根據當前值與計算值的差值通過PID算法控制PWM輸出，實現對電機的控制功能。

4 系統校正

針對系統干擾問題，設計中采取以下幾個措施來提高硬件系統的抗干擾能力：在主控制電路輸出四路PWM脈寬調制信號到電機驅動板之間放置光耦做光電隔離，防止驅動板的大電流信號對主控板的小信號造成干擾；在旋轉磁編碼器A，B正交信號干路上放置濾波RC濾波器進行濾波處理。

圖6 主程序

5 結束語

本文設計了一個能夠自平衡減負荷的拉桿箱，并對硬件系統搭建以及軟件算法設計進行研究。該系統具有很好的自平衡功能，在極大程度上減輕使用者的負擔。另外，該自平衡系統將自動化控制理論與人工智能有機結合起來自動平衡減負拉桿箱的設計有著至關重要的影響。