開題報(bào)告-基于單片機(jī)控制的智能行李箱設(shè)計(jì)與研究

題目基于單片機(jī)控制的智能行李箱設(shè)計(jì)與研究姓名班級學(xué)號指導(dǎo)教師日期年月日

題目：基于單片機(jī)控制的智能行李箱設(shè)計(jì)與研究選題背景（含題目來源、應(yīng)用性及發(fā)展前景等）1、題目來源由于我國對科技創(chuàng)新的大力推動和對科技教育的重視，我國科學(xué)技術(shù)在近年來發(fā)展迅速，在人們的生活和社會的生產(chǎn)中都得到了非常顯著的體現(xiàn)。其中，在很多需要人工操作的作業(yè)環(huán)境中，人們使用具有智能化的機(jī)械代替人工操作，一方面極大地提高了工作效率，另一方面也解放了人力，使人們的生活與生產(chǎn)活動更加輕松便捷。如今在人們的生活中，如果是出門遠(yuǎn)行，那一定少不了行李箱，容量大的行李箱可以容納不少物件，而且隨著人們的不斷改進(jìn)，行李箱也從以前的兩個固定輪發(fā)展到現(xiàn)在有四個萬向輪，可以拉動也可以平置推動，更可以旋轉(zhuǎn)，與以前相比省力了不少。但即使是這樣，隨著物質(zhì)生活的富足，人們的需要也在增長，在拖動行李箱的時(shí)間比較長時(shí)，依然會使人感覺到很累。為了使人們的旅途生活更加便捷和省力，我們可以考慮讓行李箱具有跟隨主人和自動“行走”的功能，這樣就可以為人們節(jié)省很大一部分的精力。本文以現(xiàn)有的傳感器檢測和控制技術(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的箱體力學(xué)模型與定位算法，設(shè)計(jì)了一種智能跟隨行李箱，并實(shí)現(xiàn)了智能跟隨與行走功能?，F(xiàn)在雖然已有一些類似的裝置，可以實(shí)現(xiàn)跟隨的功能，但是效果普遍不是很好，一方面是由于智能跟隨行李箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，另一方面是定位的方法問題，同時(shí)在價(jià)格方面也比較高，無法在市場上普及。面對當(dāng)前市面上存在的智能行李箱的一些不足，本文設(shè)計(jì)的智能跟隨行李箱一方面使用獨(dú)立設(shè)計(jì)的箱體機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下保持箱體的平衡和安全性：另一方面能夠高效穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)定位和跟隨功能，同時(shí)避開路線上的障礙物。相比于現(xiàn)有技術(shù)的定位和控制方法，本文所設(shè)計(jì)的智能跟隨行李箱可以實(shí)現(xiàn)更精確的定位，對行李箱的控制也更加穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的跟隨功能，不會在定位的過程中失去定位標(biāo)簽的位置，另外成本也更低，因此更具有市場應(yīng)用價(jià)值。2、應(yīng)用性每當(dāng)節(jié)假日的時(shí)候很多同學(xué)需要長途旅行，行李較多，攜帶麻煩。如今出遠(yuǎn)門行李箱成了必不可少的拖載物品，其中大部分的型號亦附有內(nèi)置小輪，可用拉桿方便拉動，隨著社會的變革出現(xiàn)有4個小輪的行李箱，除了可作360度的旋轉(zhuǎn)外，在平地更可以不費(fèi)力輕易推動。不過隨著人們物質(zhì)需求逐步上升，有時(shí)候行李箱會給人們造成一些不便之處。據(jù)調(diào)查，雖然有輪子輔助，但如果長時(shí)間的拉動，會造成旅人高度疲憊，極大的不符合現(xiàn)代人的高科技、舒適生活。如果行李箱可以自行移動，就可以極大方便人們出行。而今隨著社會智能化應(yīng)用到各個行業(yè)，為了更娃的服務(wù)人類，科技結(jié)合生活創(chuàng)造幸福生活。通過對行李箱智能化設(shè)計(jì)改造，可以讓人們可以更加方便進(jìn)行行李的拖運(yùn)，在開闊地上可以順利的跟隨主人行定。在有少量障礙物的平地上在主人與其距離較近的情況下也可較好運(yùn)行。將定向和移動兩個功能合并于智能行李箱中，使得在旅途中，可以省去許多麻煩，減少旅人的壓力。通過微型處理器計(jì)算出主人所在位置，并一直與主人保持一定距離。帶有藍(lán)牙通信功能，能夠讓人們解放雙手，自由輕松地出游，不用在擔(dān)心因拖行李箱而產(chǎn)生的各種不便。給人們帶來一種身心愉悅的出游方式。3、發(fā)展前景國際上對智能行李箱的研發(fā)比較早，有些公司都已經(jīng)研發(fā)出了自己的產(chǎn)品，比如Indiegogo公司的Bluesmart是全球第一款智能行李箱，在這款智能行李箱上安裝有藍(lán)牙模塊，使之可以與手機(jī)保持通訊，使用iOS系統(tǒng)或安卓系統(tǒng)的APP可以在遠(yuǎn)處對TSA鎖進(jìn)行上鎖和解鎖的操作；當(dāng)Bluesmart離用戶超過一定的距離時(shí)，Bluesmart會自動進(jìn)入鎖定狀態(tài)；當(dāng)Bluesmart遇到非法開箱時(shí)，會給手機(jī)報(bào)警；Bluesmart上還安裝有重力傳感器，只需要提起智能行李箱就會自動顯示物品的重量，同時(shí)還具有37W的鋰電池，可以給手機(jī)充電6次：Bluesmart還安裝有GPS定位模塊，可以記錄位置軌跡，在丟失后會發(fā)送行李箱所在的位置信息。在我國國內(nèi)對于智能行李箱的研發(fā)在最近幾年有增多的趨勢，有些公司所研發(fā)出的智能行李箱產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了很多實(shí)用性功能，比如ALLOY公司所研發(fā)的智能拉桿箱，其中包含10000mA的鋰電池、藍(lán)牙、GPS定位、WiFi、2G網(wǎng)絡(luò)和TSA鎖等，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)充電、GPS定位、報(bào)警和APP遠(yuǎn)程操控等功能。COWAROBOT團(tuán)隊(duì)推出的COWAROBOTR1智能行李箱，在市面上已經(jīng)可以購買，具有人體識別、自動跟隨的功能，使用射頻定位技術(shù)，定位精度達(dá)到10cm，同時(shí)使用激光雷達(dá)技術(shù)，實(shí)時(shí)構(gòu)建三維環(huán)境數(shù)據(jù)，搭載壓力傳感器結(jié)合地面平坦度算法，適應(yīng)多種路面進(jìn)行平穩(wěn)跟隨，動力系統(tǒng)能自動根據(jù)箱內(nèi)負(fù)載調(diào)整下壓力以保持足夠的抓地力。該產(chǎn)品最大的缺點(diǎn)就是價(jià)格過高，因此無法在市場上普及。目前絕大多數(shù)公司都是使用藍(lán)牙技術(shù)來使智能行李箱與手機(jī)APP之間保持通訊，全金屬的智能行李箱機(jī)身還存在著影響天線信號的缺陷，因此在布線以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)一步改善。所以現(xiàn)在很多公司都是根據(jù)用戶的具體要求來對自己的產(chǎn)品進(jìn)行改動，比如ALLOY團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在要對整個智能行李箱的箱體進(jìn)行防水和防震的設(shè)計(jì)，從而使智能行李箱的運(yùn)動更加穩(wěn)定。綜上所述，目前很多企業(yè)都是在做智能行李箱的優(yōu)化工作，使產(chǎn)品的使用性更加穩(wěn)定，從而滿足用戶的要求。二、設(shè)計(jì)方案（含設(shè)計(jì)主要內(nèi)容、方法手段）1、設(shè)計(jì)方案跟隨行李箱的設(shè)計(jì)，硬件模塊采用STM32單片機(jī)、電源模塊、超聲波測距模塊、紅外避障模塊、重力檢測模塊、矩陣鍵盤模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、藍(lán)牙通信模塊和手機(jī)APP幾個部分組成。STM32芯片為控制核心，硬件系統(tǒng)采用3.3V直流電源供電，HC-SR04超聲波測距模塊用于檢測行李箱和人體之間的距離，紅外避障模塊用于檢測障礙物，控制行李箱拐外和避障功能，HX711模塊和電子秤用于檢測行李箱內(nèi)部物品的重量。可通過矩陣鍵盤模塊進(jìn)行密碼的輸入，密碼位數(shù)為六位數(shù)字，三次輸入錯誤后進(jìn)行報(bào)警提示，若忘記密碼，可進(jìn)行密碼重置功能，由L298N電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)帶動行李箱的運(yùn)行。LCD1602液晶顯示器顯示距離、行李箱內(nèi)物品重量、輸入的密碼等相關(guān)數(shù)據(jù)。能夠超距離報(bào)警；基于單片機(jī)的跟隨行李箱利用超聲波實(shí)現(xiàn)跟隨功能的過程如下：(1)超聲波發(fā)射與接收：行李箱上裝備的超聲波發(fā)射器會定期發(fā)射超聲波信號。這些超聲波信號在遇到障礙物（如人體）時(shí)會反射回來。(2)信號處理與距離計(jì)算：行李箱上的超聲波接收器會捕獲這些反射回來的超聲波信號。通過測量超聲波信號發(fā)射和接收的時(shí)間差，可以精確計(jì)算出行李箱與用戶之間的距離。(3跟隨算法：單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的跟隨算法會根據(jù)計(jì)算出的距離來調(diào)整行李箱的速度和方向。當(dāng)用戶移動時(shí)，行李箱會檢測到距離的變化，并相應(yīng)地調(diào)整其移動方向和速度，以保持與用戶的相對位置。(4)電機(jī)控制：單片機(jī)通過輸出控制信號來驅(qū)動行李箱的電機(jī)。這些控制信號會根據(jù)跟隨算法的結(jié)果來調(diào)整電機(jī)的速度和方向，從而實(shí)現(xiàn)行李箱的跟隨功能。。HC-05藍(lán)牙通信模塊完成行李箱和手機(jī)端的無線連接，能夠在手機(jī)端觀測行李箱的基本情況。設(shè)計(jì)主要技術(shù)框圖如下：圖1設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)框圖2、方法手段（1）跟隨技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，基于單片機(jī)的跟隨行李箱利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)跟隨功能，通過發(fā)射和接收超聲波信號計(jì)算行李箱與用戶之間的距離，并結(jié)合跟隨算法調(diào)整行李箱的速度和方向，從而保持與用戶的相對位置。單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動行李箱移動，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨。（2）單片機(jī)技術(shù)，選擇STM32作為跟隨行李箱系統(tǒng)的主控部分，是基于其多項(xiàng)優(yōu)勢和適用性。STM32微控制器憑借其高性能、低功耗的特點(diǎn)，確保行李箱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、實(shí)時(shí)響應(yīng)，并有效延長使用時(shí)間。此外，其豐富的外設(shè)接口為連接各種傳感器和模塊提供了便利，靈活的編程和支持廣泛的開發(fā)工具則大大簡化了開發(fā)過程。結(jié)合成本效益的考量，STM32成為滿足跟隨行李箱系統(tǒng)在處理、響應(yīng)、功耗、成本等多方面要求的理想選擇，為系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了有力保障。（3）軟件程序的編寫利用KeilMDK軟件，對單片機(jī)控制的主程序的設(shè)計(jì)、控制子程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行編寫。三、目標(biāo)及工作進(jìn)度1、目標(biāo)（1）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一款自動跟隨行李箱，該行李箱具備超聲波實(shí)現(xiàn)跟隨功能、藍(lán)牙控制功能以及紅外檢測功能。通過這些功能的集成，實(shí)現(xiàn)精確跟隨，并提供便捷的藍(lán)牙控制方式。（2）設(shè)計(jì)的自動跟隨系統(tǒng)體積適中，在運(yùn)行過程中不會對周圍設(shè)備以及工作人員造成影響，減少跟隨系統(tǒng)的占用空間;（3）具備一定的防水、防塵、抗震功能:在室外環(huán)境，應(yīng)避免雨雪、強(qiáng)風(fēng)、大霧對機(jī)器人內(nèi)部電路元器件造成影響，發(fā)生故障和安全事故;（4）搭載各類傳感器，結(jié)構(gòu)緊湊，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，選擇相應(yīng)的傳感器作為輸入信息，作為執(zhí)行判斷依據(jù)。（5）完成設(shè)計(jì)報(bào)告，格式應(yīng)符合新疆工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定。2、工作進(jìn)度時(shí)間畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容2023年11月1日～2023年11月3日下達(dá)任務(wù)書。2023年11月4日～2023年11月13日組織開題答辯，上交開題報(bào)告。2023年11月14日～2023年12月2日查閱相關(guān)資料，選定設(shè)計(jì)方案。2024年12月3日～2024年01月31日學(xué)習(xí)編程軟件，搭建系統(tǒng)框架。2024年02月1日～2024年02月28日制作實(shí)物，調(diào)試硬件和軟件，解決出現(xiàn)的問題。2024年03月1日～2024年03月31日查找設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容所需文獻(xiàn)，列寫設(shè)計(jì)報(bào)告大綱。2024年04月1日～2024年04月15日中期檢查，填寫中期檢查表。2024年04月15日～2024年04月30日設(shè)備調(diào)試，完善設(shè)計(jì)及報(bào)告。2024年05月01日～2024年05月09日完成畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿，呈指導(dǎo)教師審閱。2024年05月10日～2024年05月19日完成畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿，呈指導(dǎo)教師審閱。2024年05月20日～2024年05月27日裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)終稿，呈指導(dǎo)教師和評閱教師審閱；畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。四、主要參考文獻(xiàn)（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出）[1]葉偉慧，舒秀蘭，林桂盛，等.多模式可載兒童智能行李箱裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019，9(1)：127-130.[2]張豐，李順霖，陳仁，等.基于自動跟隨系統(tǒng)的智能行李箱[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019，9(3)：163-165.[3]申耀武，吳進(jìn)程，徐亦昌，等.基于單片機(jī)控制的智能行李箱設(shè)計(jì)研究[J].自動化與智能化，2019，48(7)：114-116.[4]趙艷妮，馬順，張書源，等.基于視覺傳感器的自動跟隨行李箱設(shè)計(jì)[J].智能城市，2017(8)：23-24.[5]丁世豪，李光順，劉鵬坤，等.基于藍(lán)牙4.0的自動跟蹤智能行李箱設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2018，47(5)：47-49.[6]陳文康.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2018(10)：53-54.[7]陶冶.基于Arduino和WiFi的溫室監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9(3)：23-26.[8]葉思言，孫永寧，禮金，等.基于UWB定位和OpenMV識別的智能跟隨行李箱設(shè)計(jì)[J].成都工業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，2020，23(3)：35-39.[9]覃超妹，李潮平，岑澤銘，等.基于藍(lán)牙模塊的自動跟蹤智能行李箱系統(tǒng)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4(6)：158-159，163.[10]秦彩杰，肖家波，李勇.基于NB-IOT的智能行李箱設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，38(5):46-50.[11]申耀武,吳進(jìn)程,徐亦昌,林健斌.基于單片機(jī)控制的智能行李箱設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48(7)：114-116.[12]馬鐸,黨小娟,張慧.超聲波智能避障小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018(9)：87-88.[13]張才勇,王庭有,李馳骎.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制[J].化工自動化及儀表，2019，46(11)：88-890，916.[14]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(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10(8)：63-65，70.[15]蔡順燕，鄭超，劉露平.兒童智能行李箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦迷，2018(12)：241-242.[16]陳茜茹，李志為.基于樹莓派的自動跟隨行李箱[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019(13)：99-101.[17]柯磊，趙莉，高鵬，程雪.基于STC12C5A6OS2單片機(jī)的指紋解鎖系統(tǒng)[J].電子制作，2019(z1)：151