开题报告-基于单片机控制的智能行李箱设计与研究

题目基于单片机控制的智能行李箱设计与研究姓名班级学号指导教师日期年月日

题目：基于单片机控制的智能行李箱设计与研究选题背景（含题目来源、应用性及发展前景等）1、题目来源由于我国对科技创新的大力推动和对科技教育的重视，我国科学技术在近年来发展迅速，在人们的生活和社会的生产中都得到了非常显著的体现。其中，在很多需要人工操作的作业环境中，人们使用具有智能化的机械代替人工操作，一方面极大地提高了工作效率，另一方面也解放了人力，使人们的生活与生产活动更加轻松便捷。如今在人们的生活中，如果是出门远行，那一定少不了行李箱，容量大的行李箱可以容纳不少物件，而且随着人们的不断改进，行李箱也从以前的两个固定轮发展到现在有四个万向轮，可以拉动也可以平置推动，更可以旋转，与以前相比省力了不少。但即使是这样，随着物质生活的富足，人们的需要也在增长，在拖动行李箱的时间比较长时，依然会使人感觉到很累。为了使人们的旅途生活更加便捷和省力，我们可以考虑让行李箱具有跟随主人和自动“行走”的功能，这样就可以为人们节省很大一部分的精力。本文以现有的传感器检测和控制技术，结合设计的箱体力学模型与定位算法，设计了一种智能跟随行李箱，并实现了智能跟随与行走功能。现在虽然已有一些类似的装置，可以实现跟随的功能，但是效果普遍不是很好，一方面是由于智能跟随行李箱系统的设计问题，另一方面是定位的方法问题，同时在价格方面也比较高，无法在市场上普及。面对当前市面上存在的智能行李箱的一些不足，本文设计的智能跟随行李箱一方面使用独立设计的箱体机械结构，能够在复杂的工作环境下保持箱体的平衡和安全性：另一方面能够高效稳定地实现定位和跟随功能，同时避开路线上的障碍物。相比于现有技术的定位和控制方法，本文所设计的智能跟随行李箱可以实现更精确的定位，对行李箱的控制也更加稳定，可以实现安全稳定的跟随功能，不会在定位的过程中失去定位标签的位置，另外成本也更低，因此更具有市场应用价值。2、应用性每当节假日的时候很多同学需要长途旅行，行李较多，携带麻烦。如今出远门行李箱成了必不可少的拖载物品，其中大部分的型号亦附有内置小轮，可用拉杆方便拉动，随着社会的变革出现有4个小轮的行李箱，除了可作360度的旋转外，在平地更可以不费力轻易推动。不过随着人们物质需求逐步上升，有时候行李箱会给人们造成一些不便之处。据调查，虽然有轮子辅助，但如果长时间的拉动，会造成旅人高度疲惫，极大的不符合现代人的高科技、舒适生活。如果行李箱可以自行移动，就可以极大方便人们出行。而今随着社会智能化应用到各个行业，为了更娃的服务人类，科技结合生活创造幸福生活。通过对行李箱智能化设计改造，可以让人们可以更加方便进行行李的拖运，在开阔地上可以顺利的跟随主人行定。在有少量障碍物的平地上在主人与其距离较近的情况下也可较好运行。将定向和移动两个功能合并于智能行李箱中，使得在旅途中，可以省去许多麻烦，减少旅人的压力。通过微型处理器计算出主人所在位置，并一直与主人保持一定距离。带有蓝牙通信功能，能够让人们解放双手，自由轻松地出游，不用在担心因拖行李箱而产生的各种不便。给人们带来一种身心愉悦的出游方式。3、发展前景国际上对智能行李箱的研发比较早，有些公司都已经研发出了自己的产品，比如Indiegogo公司的Bluesmart是全球第一款智能行李箱，在这款智能行李箱上安装有蓝牙模块，使之可以与手机保持通讯，使用iOS系统或安卓系统的APP可以在远处对TSA锁进行上锁和解锁的操作；当Bluesmart离用户超过一定的距离时，Bluesmart会自动进入锁定状态；当Bluesmart遇到非法开箱时，会给手机报警；Bluesmart上还安装有重力传感器，只需要提起智能行李箱就会自动显示物品的重量，同时还具有37W的锂电池，可以给手机充电6次：Bluesmart还安装有GPS定位模块，可以记录位置轨迹，在丢失后会发送行李箱所在的位置信息。在我国国内对于智能行李箱的研发在最近几年有增多的趋势，有些公司所研发出的智能行李箱产品实现了很多实用性功能，比如ALLOY公司所研发的智能拉杆箱，其中包含10000mA的锂电池、蓝牙、GPS定位、WiFi、2G网络和TSA锁等，可以实现手机充电、GPS定位、报警和APP远程操控等功能。COWAROBOT团队推出的COWAROBOTR1智能行李箱，在市面上已经可以购买，具有人体识别、自动跟随的功能，使用射频定位技术，定位精度达到10cm，同时使用激光雷达技术，实时构建三维环境数据，搭载压力传感器结合地面平坦度算法，适应多种路面进行平稳跟随，动力系统能自动根据箱内负载调整下压力以保持足够的抓地力。该产品最大的缺点就是价格过高，因此无法在市场上普及。目前绝大多数公司都是使用蓝牙技术来使智能行李箱与手机APP之间保持通讯，全金属的智能行李箱机身还存在着影响天线信号的缺陷，因此在布线以及整体结构的设计上还需要进一步改善。所以现在很多公司都是根据用户的具体要求来对自己的产品进行改动，比如ALLOY团队现在要对整个智能行李箱的箱体进行防水和防震的设计，从而使智能行李箱的运动更加稳定。综上所述，目前很多企业都是在做智能行李箱的优化工作，使产品的使用性更加稳定，从而满足用户的要求。二、设计方案（含设计主要内容、方法手段）1、设计方案跟随行李箱的设计，硬件模块采用STM32单片机、电源模块、超声波测距模块、红外避障模块、重力检测模块、矩阵键盘模块、电机驱动模块、显示模块、报警模块、蓝牙通信模块和手机APP几个部分组成。STM32芯片为控制核心，硬件系统采用3.3V直流电源供电，HC-SR04超声波测距模块用于检测行李箱和人体之间的距离，红外避障模块用于检测障碍物，控制行李箱拐外和避障功能，HX711模块和电子秤用于检测行李箱内部物品的重量。可通过矩阵键盘模块进行密码的输入，密码位数为六位数字，三次输入错误后进行报警提示，若忘记密码，可进行密码重置功能，由L298N电机驱动模块驱动电机带动行李箱的运行。LCD1602液晶显示器显示距离、行李箱内物品重量、输入的密码等相关数据。能够超距离报警；基于单片机的跟随行李箱利用超声波实现跟随功能的过程如下：(1)超声波发射与接收：行李箱上装备的超声波发射器会定期发射超声波信号。这些超声波信号在遇到障碍物（如人体）时会反射回来。(2)信号处理与距离计算：行李箱上的超声波接收器会捕获这些反射回来的超声波信号。通过测量超声波信号发射和接收的时间差，可以精确计算出行李箱与用户之间的距离。(3跟随算法：单片机内部运行的跟随算法会根据计算出的距离来调整行李箱的速度和方向。当用户移动时，行李箱会检测到距离的变化，并相应地调整其移动方向和速度，以保持与用户的相对位置。(4)电机控制：单片机通过输出控制信号来驱动行李箱的电机。这些控制信号会根据跟随算法的结果来调整电机的速度和方向，从而实现行李箱的跟随功能。。HC-05蓝牙通信模块完成行李箱和手机端的无线连接，能够在手机端观测行李箱的基本情况。设计主要技术框图如下：图1设计主要设计框图2、方法手段（1）跟随技术的实现，基于单片机的跟随行李箱利用超声波技术实现跟随功能，通过发射和接收超声波信号计算行李箱与用户之间的距离，并结合跟随算法调整行李箱的速度和方向，从而保持与用户的相对位置。单片机控制电机驱动行李箱移动，实现实时跟随。（2）单片机技术，选择STM32作为跟随行李箱系统的主控部分，是基于其多项优势和适用性。STM32微控制器凭借其高性能、低功耗的特点，确保行李箱系统稳定运行、实时响应，并有效延长使用时间。此外，其丰富的外设接口为连接各种传感器和模块提供了便利，灵活的编程和支持广泛的开发工具则大大简化了开发过程。结合成本效益的考量，STM32成为满足跟随行李箱系统在处理、响应、功耗、成本等多方面要求的理想选择，为系统的稳定、可靠运行提供了有力保障。（3）软件程序的编写利用KeilMDK软件，对单片机控制的主程序的设计、控制子程序的设计进行编写。三、目标及工作进度1、目标（1）设计和实现一款自动跟随行李箱，该行李箱具备超声波实现跟随功能、蓝牙控制功能以及红外检测功能。通过这些功能的集成，实现精确跟随，并提供便捷的蓝牙控制方式。（2）设计的自动跟随系统体积适中，在运行过程中不会对周围设备以及工作人员造成影响，减少跟随系统的占用空间;（3）具备一定的防水、防尘、抗震功能:在室外环境，应避免雨雪、强风、大雾对机器人内部电路元器件造成影响，发生故障和安全事故;（4）搭载各类传感器，结构紧凑，根据传感器采集的数据，选择相应的传感器作为输入信息，作为执行判断依据。（5）完成设计报告，格式应符合新疆工程学院毕业设计相关规定。2、工作进度时间毕业设计工作内容2023年11月1日～2023年11月3日下达任务书。2023年11月4日～2023年11月13日组织开题答辩，上交开题报告。2023年11月14日～2023年12月2日查阅相关资料，选定设计方案。2024年12月3日～2024年01月31日学习编程软件，搭建系统框架。2024年02月1日～2024年02月28日制作实物，调试硬件和软件，解决出现的问题。2024年03月1日～2024年03月31日查找设计报告内容所需文献，列写设计报告大纲。2024年04月1日～2024年04月15日中期检查，填写中期检查表。2024年04月15日～2024年04月30日设备调试，完善设计及报告。2024年05月01日～2024年05月09日完成毕业设计初稿，呈指导教师审阅。2024年05月10日～2024年05月19日完成毕业设计终稿，呈指导教师审阅。2024年05月20日～2024年05月27日装订毕业设计终稿，呈指导教师和评阅教师审阅；毕业设计答辩。四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出）[1]叶伟慧，舒秀兰，林桂盛，等.多模式可载儿童智能行李箱装置优化设计[J].智能计算机与应用，2019，9(1)：127-130.[2]张丰，李顺霖，陈仁，等.基于自动跟随系统的智能行李箱[J].智能计算机与应用，2019，9(3)：163-165.[3]申耀武，吴进程，徐亦昌，等.基于单片机控制的智能行李箱设计研究[J].自动化与智能化，2019，48(7)：114-116.[4]赵艳妮，马顺，张书源，等.基于视觉传感器的自动跟随行李箱设计[J].智能城市，2017(8)：23-24.[5]丁世豪，李光顺，刘鹏坤，等.基于蓝牙4.0的自动跟踪智能行李箱设计[J].电子技术，2018，47(5)：47-49.[6]陈文康.基于单片机的直流电机调速系统设计探讨[J].电脑编程技巧与维护，2018(10)：53-54.[7]陶冶.基于Arduino和WiFi的温室监控系统[J].物联网技术，2019，9(3)：23-26.[8]叶思言，孙永宁，礼金，等.基于UWB定位和OpenMV识别的智能跟随行李箱设计[J].成都工业学院网络与通信工程学院，2020，23(3)：35-39.[9]覃超妹，李潮平，岑泽铭，等.基于蓝牙模块的自动跟踪智能行李箱系统[J].现代信息科技，2020，4(6)：158-159，163.[10]秦彩杰，肖家波，李勇.基于NB-IOT的智能行李箱设计[J].佳木斯大学学报，2020，38(5):46-50.[11]申耀武,吴进程,徐亦昌,林健斌.基于单片机控制的智能行李箱设计研究[J].机电工程技术，2019，48(7)：114-116.[12]马铎,党小娟,张慧.超声波智能避障小车的设计与实现[J].企业科技与发展，2018(9)：87-88.[13]张才勇,王庭有,李驰骎.基于单片机的直流电机调速控制[J].化工自动化及仪表，2019，46(11)：88-890，916.[14]彭秋洁，刘凯磊，康绍鹏，等.基于Arduino的多功能自动跟随行李箱设计[J].物联网技术，2020，10(8)：63-65，70.[15]蔡顺燕，郑超，刘露平.儿童智能行李箱的设计与实现[J].电脑迷，2018(12)：241-242.[16]陈茜茹，李志为.基于树莓派的自动跟随行李箱[J].电子技术与软件工程，2019(13)：99-101.[17]柯磊，赵莉，高鹏，程雪.基于STC12C5A6OS2单片机的指纹解锁系统[J].电子制作，2019(z1)：151