一種多形態(tài)實用型智能運輸車的設計與應用研究

丁應允 崔月霞

摘 要 隨著科技的發(fā)展，人們對生活質量提出了越來越高的要求。雖然智能出行、智能運輸為人們提供了極大的便利，但是適合民用、家用的智能運輸車卻鮮少出現(xiàn)。本文以物美價廉、實用便捷等特點為產(chǎn)品定位，結合機械設計、軟硬件應用和移動互聯(lián)網(wǎng)技術等進行交叉跨學科研究，設計出了一款多形態(tài)實用型智能運輸車，對智能運輸車在消費級領域發(fā)展具有一定的借鑒和參考價值。

關鍵詞 智能運輸 智能搬運 多形態(tài) 自動跟隨

中圖分類號：F5;TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0001-03

1 智能運輸車介紹

1.1 智能運輸車概述

本文設計的智能運輸車的定位是價格便宜、功能實用、支持家庭和企事業(yè)單位購買、可折疊、多形態(tài)滿足多用途等特點，因此這款智能運輸車外觀支持全折疊、半展開和全展開三種形態(tài)，滿足用戶搬運不同體積的重物需求;智能運輸車具有自動跟隨模式和手動遙控兩種模式，智能車行走過程中具有自主避障和物品防跌落的功能。同時，智能運輸車支持在手機APP上操控使用，具有較高的智能化和便利性。

1.2 智能運輸車功能

1.2.1 一鍵折疊功能

智能運輸車主要面向家庭、封閉管理的園區(qū)和機構的購買，因此外觀需要考慮可折疊、輕便、體積小，并且成本低、滿足多用途等特性。所以，智能運輸車在設計時有三種形態(tài)：全折疊狀態(tài)、半展開狀態(tài)和全展開狀態(tài)。全折疊狀態(tài)在不使用時，是一塊平板，方便放置;半展開狀態(tài)類似平板手推車形態(tài)，可以放置超過平板面積的物品進行搬運;全展開狀態(tài)是四壁柵欄自動彈起，類似帶蓋超市購物車形態(tài)，可以放置大量的小件物品進行搬運。這三種形態(tài)滿足了智能運輸車的多用途。

1.2.2 自動跟隨模式

用戶在手機藍牙開啟狀態(tài)下，可以使用智能運輸車的自動跟隨功能。用戶在手機APP的智能遙控器頁面打開自動跟隨按鈕，智能車會運載貨物自動跟隨手機藍牙信號自主行走。智能車會自動與用戶手機信號保持半徑一米的范圍內(nèi)。當出現(xiàn)意外情況導致運輸車超出信號一米范圍外的時候，會通過APP發(fā)出震動提醒用戶。

在自動跟隨行走過程中，通過防跌落傳感器和超聲波傳感器實現(xiàn)重量檢查與自動避障功能。在行走過程中，如果有人拿走貨物導致重量發(fā)生變化，都會觸發(fā)運輸車報警裝置，發(fā)出報警聲響，同時手機震動提示用戶。運輸車在行走過程中，遇到各種垃圾箱、灌木叢或者座椅、公交站等障礙物，都會轉向從而自動避障。

關閉自動跟隨功能，則運輸車停止自動行走，停止在原地，各種傳感器停止工作，此時用戶可以取走貨物而不會觸發(fā)警報。

1.2.3 手動遙控模式

除了自動跟隨模式外，智能車還具有手動遙控的功能，從而應對復雜的地形情況。例如地面凹凸不平、彎道較多、道路較窄等復雜地形，或者人流較多容易發(fā)生意外的情況下，建議優(yōu)先使用手動遙控模式。這時，需要讓智能車在人的前方行走，用戶通過手動遙控可以控制運輸車的方向、速度，來緊急避險，同時極大地增加了可玩性和趣味性。

在開啟自動跟隨情況下，手動遙控模式的優(yōu)先級高于自動跟隨模式，智能車會自動切換為接受手動遙控，手動遙控器釋放后默認的是自動跟隨模式。

1.3 智能運輸車的意義

多形態(tài)外觀設計，滿足運輸多用途。多形態(tài)智能運輸車，價格親民，功能實用，并且可一鍵折疊，適合個人日常購買時使用。

人車云三端互聯(lián)，升級用戶新體驗。用戶只需通過手機APP綁定已購買的智能運輸車，便可以實現(xiàn)自動跟隨等功能，同時會將行程記錄在云端。通過手機端、云端和智能車端三端互通互聯(lián)的方式，實現(xiàn)了“人-車-云”的高度協(xié)同作業(yè)，打造用戶智能互聯(lián)新體驗。

創(chuàng)新消費級應用，打破企業(yè)專用壁壘。市場上現(xiàn)有的AGV搬運車，有些需要場地改造，有些系統(tǒng)復雜、價格昂貴，不符合民用領域的運輸需求。本智能運輸車結合機械、軟硬件和移動互聯(lián)網(wǎng)等交叉跨學科研究，設計出可供家用民用的新型智能運輸車，創(chuàng)新了智能運輸車在消費級領域的應用。

2 智能運輸車設計方案

本文設計的智能運輸車是一款可結合手機APP進行操控的，集自動跟隨、自主避障、手動遙控等功能于一體的智能運輸車。產(chǎn)品針對用戶不同場景下的實際需求，提出了多形態(tài)、多功能滿足多用途的實用型智能運輸車。本文分別從產(chǎn)品外觀、智能軟硬件、APP設計三個方面進行研究。

2.1 外觀設計

智能運輸車主要面向家庭和個人購買，因此外觀需要可折疊、占地小、易攜帶等特點。所以產(chǎn)品外觀在設計時有三種形態(tài)：全折疊形態(tài)、半展開形態(tài)和全展開形態(tài)。全折疊形態(tài)：在不使用時是長60cm、寬30cm、高10cm的板子形態(tài)，占地空間較小，方便放置。底部板箱采用HDPE（高密度聚乙烯）材料，比玻璃鋼材質價格便宜，也更輕便。底部板箱內(nèi)包含了智能電路板、鋰電池、傳感器等，按下黃色電源按鈕，在APP上設置出行模式，即可實現(xiàn)自動跟隨。

半展開形態(tài)：拉起扶手，近似平板手推車形態(tài)，四面柵欄呈收縮狀態(tài)嵌入在底板的四條臥軌里。扶手側的活動式圍欄豎立并通過旋轉鉤扣固定在扶手側，防止行駛過程中箱子在慣性作用下向前滑落。這種形態(tài)下，可以放置超過底板面積的物品進行自動搬運。在APP上設置出行模式即可自主行走。此時扶手頂部距離地面的高度是86cm，在電量耗盡的情況下，還可以拉著運輸車行走。

全展開形態(tài)：按下智能車底部的綠色推桿按鈕，智能車的電動推桿驅動器進行電動推桿，四壁柵欄從臥軌彈起，近似超市購物車形態(tài)，可以放置大量的小件物品進行自動搬運。同時，可以擰開在扶手側的鉤扣，扶手側的活動式圍欄落下作為車體的蓋子，旋轉鉤扣并扣住車身。這種形態(tài)下，可以防止小件物品在運輸過程掉落和被人拿走，保障物品的運輸安全，用戶在APP上設置出行模式，即可自主行走。此時扶手頂部距離地面的高度是116cm，在電量耗盡的情況下，還可以推著運輸車行走。

智能運輸車的這三種形態(tài)轉換，也是非常簡單的。全折疊和半展開形態(tài)變換，只需要手動拉起扶手即可。半展開和全展開狀態(tài)的變換是通過智能車底部的一個物理按鈕完成。只需按動按鈕，底板上的四面柵欄就會緩慢彈出，并且有活動式車蓋保障物品運輸安全。

2.2 軟硬件設計

硬件方面主要使用Arduino UNO R3作為主控制器，通過電機驅動器分別控制兩個直流電機，并通過編碼器將轉速反饋給控制器[1];在智能車上還包括電子羅盤、超聲波傳感器、重量傳感器作為輸入裝置，并配備報警裝置;整個智能車硬件系統(tǒng)采用鋰電池進行供電，并配備12V/5A的電源接口;手機APP和智能車通過藍牙模塊進行通信，保障自動跟隨功能和手動遙控功能的使用（硬件設計如圖1所示）。

軟件編程方面采用與Arduino UNO R3開發(fā)板對應的Arduino IDE編程軟件進行編程。軟件編程包括編寫自動跟隨模塊、手動遙控模塊、自動避障模塊和防跌落模塊等。

2.2.1 自動跟隨模塊設計

自動跟隨模塊是由自動跟隨前進控制功能和自動轉彎控制功能兩部分共同實現(xiàn)。自動跟隨前進控制模塊是通過藍牙RSSI測距算法實現(xiàn)，自動轉彎控制模塊是通過電子羅盤方位矯正算法實現(xiàn)。

用戶打開手機藍牙和智能車藍牙配對成功后，智能車APP會將手機藍牙作為從藍牙設備，智能車作為主藍牙設備，控制器每隔10ms會獲取從藍牙設備的藍牙信號強度RSSI值，如果RSSI的值越來越小，則藍牙信號強度越來越弱，那么智能車距離手機端越來越遠，說明智能車速度過慢，此時控制器會逐步增加智能車速度[2];相反，如果RSSI值越來越大，則藍牙信號強度越來越強，說明智能車離手機端距離越來越近，即智能車速度過快，此時控制器會降低智能車速度。如果使智能車和手機端保持1米左右的距離形式，那么只需要藍牙RSSI差值保持一個穩(wěn)定值，由此便可實現(xiàn)智能車的自動跟隨前進控制功能。

智能車在行駛過程中，手機端會將自身的電子羅盤方位信息通過藍牙發(fā)送給智能車，智能車的藍牙模塊接收到手機的方位信息后，與車身攜帶的電子羅盤方位信息比較，再通過PID調(diào)節(jié)器處理，然后根據(jù)比較結果計算轉向的角度，控制器根據(jù)角度控制驅動電機實現(xiàn)PWM調(diào)速。如果是左轉彎，則控制左驅動輪減速或停止，右驅動輪轉動，形成差速左轉向，完成智能車左轉彎;同理，如果是右轉彎，則控制右驅動輪減速或停止，左驅動輪轉動，形成差速由轉向，完成智能車右轉彎，由此便可實現(xiàn)智能車的自動轉彎控制功能。

2.2.2 手動遙控模塊設計

手動遙控就是智能車根據(jù)手機遙控指令行走。手機APP的遙控信號可以通過藍牙通信傳輸?shù)街悄苘嚨氖謾C遙控模塊。在手動遙控模式下，手機APP發(fā)送前進指令，則智能車前進行駛;手機APP發(fā)送后退指令，則智能車后退行駛;手機APP發(fā)送左轉彎指令，則智能車左轉彎;手機APP發(fā)送右轉彎指令，則智能車右轉彎。在手動遙控模式下，智能車默認聽從手動遙控的全部指令，不再具有自動跟隨和自主避障功能[3]。

2.3 App設計

智能運輸車商業(yè)運營兼容零售和共享兩種運營模式。因此智能運輸車APP的首頁設計有智能出行、掃碼使用、智遷商城和我的主頁四個導航欄。

其中，智能出行頁面是給購買用戶使用的。進入智能出行頁面，可以看到已綁定的購買智能車的列表，選擇智能車點擊進入，則可以看到智遷遙控頁面，在該頁面可以設置智能車出行模式。掃碼使用頁面是提供給大眾出行時共享使用的，在共享站點掃描智能車電子屏的二維碼，則可以進入遙控頁面設置智能車出行模式。智遷商城是用戶購買智能運輸車的電子商城。我的主頁是用戶的購買記錄、出行記錄和錢包的信息。智遷出行APP設計兼容了用戶對購買和共享使用的需求，APP頁面設計簡約美觀，用戶使用操作更簡單方便。

3 結論

這款智能運輸車涉及到外觀、智能軟硬件、APP設計和商業(yè)模式的多處創(chuàng)新，滿足運輸多用途、人車云三端互聯(lián)，升級用戶新體驗、創(chuàng)新消費級應用，打破企業(yè)專用壁壘，可為城市基礎設施建設做出應有的貢獻，成為經(jīng)濟社會發(fā)展和城市化進程不可缺少的力量。

參考文獻：

[1] 彭秋潔，劉凱磊，康紹鵬，等.基于 Arduino 的多功能自動跟隨行李箱設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2020，08（17）：63-65.

[2] 丁世豪，李光順，劉鵬坤，等.基于藍牙4.0的自動跟蹤智能行李箱設計[J].電子技術，20 18，05（14）：47-49.

[3] 張偉，王橋，李莉，等.基于單片機的自動跟隨小車[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2018，06（19）：62-64.