一种自动跟随婴儿车的设计

　　摘要:随着家庭智能化程度越来越高，为我们带来的便利也越来越多。 “智能带娃”成为不少的梦想，专为照顾婴儿所用的智能设备则应运而生。该智能跟随婴儿车不但有很好的舒适性和环境适应性，并且对婴儿还能进行全方面的智能监测身体状况，最重要的是还能让父母在一定程度上解放双手，实现一边做自己喜欢的事，一边带孩子，及时通过LCD屏幕的数据显示更加直观的了解婴儿的状况。

　　关键词：UWB，自动跟随，尿湿检测，体温监测

　　1.引言

　　随着经济和技术的发展，人们对婴儿的看护技术越来越重视，婴儿车已成为必不可少的看护婴儿的工具之一。但是，现有婴儿车一般需要推车人主动操作才能达到驻车的目的，当推车 人嫌麻烦或是不留神没有踩下脚刹，就有可能发生溜车和意外。据美国《育儿》杂志报道，在美国每年超过一万名婴儿因为婴儿车意外溜车而受到伤害。在中国类似 报道屡见不鲜。由此可知婴儿车在安全方面存在一定的缺陷，造成了一些安全事故，其安全功能方面比较被动。本设计不仅放父母双手，提高了婴儿车随行的安全，呵护婴儿安全，为婴儿的成长保驾护航，使其更好的服务大众。

　　2.整体机械结构设计

　　2.1动力驱动设计方案比较

　　为了使小车运动平稳且跟随效果良好，我们采用了麦克纳姆轮与编码减速电机驱动，并且设计有减震避震功能，可以使婴儿车更舒适，麦克纳姆轮适合控制运动的平稳性，可以实现全向移动，自动跟随的效果更好。

　　方案一采用了两对普通弹簧避震器，此结构减震效果较好，但是会使整体结构和重心变高，影响稳定性和安全性，并且零件较多，并且依据现有条件制作困难。

　　方案二采用了 U 型结构，一端通过柱销连接构成一个转动副，另一端通过减震弹簧连接，并且可以通过改变弹簧数量来增强或减弱避震效果，调节方便，并且通过 3D 打印 技术不难制造和使用。综合考虑，采用方案二。

　　2.2 车架结构设计方案比较

　　车架是婴儿车的主体，需要坚固可靠，并且轻便简洁，经过设计构想，产生了两种方案：

　　方案一：平面四杆机构原理结构，此种方案结构简单，并且使用条件低，易于制 作，也能满足强度需求。加上电动推杆之后可以实现上升下降，满足孩子的观察角度。

　　方案二：六面立体结构，此种方案结构强度高制作简单，缺点是结构复杂，零件 数量多，制造难度高，并且此结构不太美观。基于我们的制作条件以及时间关系，我们选择方案一。

　　2.3设计结果

　　底盘采用金属铝型材作为框架，采用四个编码减速电机，在底盘框架板中间放置主控制电路以及主板，底盘通过平支架与座椅、电动推杆用螺栓连接。

　　3.系统硬件与软件设计

　　智能跟随婴儿车是基于STM32单片机开发的自动跟随和控制系统。该控制系统总体上可分为几大部分：

　　1：UWB无线模块：通过高精度无线同步，无线定位算法使得测距测向精度更高，运行更加可靠。该模块包括一个标签，一个基站，测距精度高达±5cm，测向精度高达±5°，数据刷新频率高达200Hz， 其原理为：通过UWB无线通信技术，计算出标签到基站之间的飞行时间，乘以光速后获得精确的距离，通过基站内置的多天线阵列，测量无线电磁波相位差，进而求得相对角度。

　　2：AMG8833热成像尿湿检测： AMG8833是一种检测红外辐射量的热电堆型红外传感器，其中64个像素点将测量0°C至80°C(32°F至176°F)的温度，精度为+2.5°C(4.5°F)。它能在7米(23)英尺的距离内探测到一个人，最大帧频为10Hz。该模块自带热敏电阻，可用于测量温度时的温度修正。为了让更加方便直观的检测，可通过模块获取的数据进行一个热成像显示，由于该模块采集的数据只有64个像素点，所以通过图像插值算法对8*8的图像放大到240*240，并显示在ips屏幕上，当数据中某一特定区域的值高于该区域周围的值时，将会发信号提醒用户。

　　3：MLX90614体温检测： 该传感器为非接触式红外温度传感器，所以测量获得的温度为额温，额头温度和体温肯定是有一定的差距，通过额温转体温算法即可获得当前体温值。其实现原理与传感器内部自带的热敏电阻相关，通过环境温度以及芯片内部温度做温度补偿，由于在本设计中采用定点数据采集，所以不考虑距离的温度补偿。

　　4：电机控制系统：目前采用的电机控制主要有两种，第一种是采用直流减速电机，控制简单，价格便宜，但噪音大，负载过重时会出现速度慢于人正常行走的速度。第二种是利用无刷电机进行矢量控制，其优点电机噪音小，减速制动快，效率高等特点，但是其硬件成本和软件设计复杂度都远远高于直流减速电机。

　　5.激光测距模块：该传感器TOF 是一种绝对距离检测技术，即传感器发出经过调试的近红外光，遇物体后反射，传感器 通过计算光线发射和反射时差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息。相比于双目方案与3D结构光方案，TOF 具有工作距离远，适用场景广，较远距离精度高等优点。使用此传感器能够在一定程度上为婴儿车提高安全性能。

　　6.自动遮阳控制：其实现原理为通过光敏传感器获取的数据与用户设定值比较，来驱动两个小型步进电机转动实现遮阳罩的伸缩。

　　7.防丢失自动报警与自动刹车：此功能的实现主要通过判断标签与基站之间信号的强弱来实现，在标签与基站的通讯协议中，信号强度可以与距离一同输出，一般情况下，当“rx_rssi - fp_rssi”小于 6dB 时，很有可能处于 LOS 状态，当大于 10dB 时，很有可能处于 NLOS 或多径状态。当信号低于设定的阈值时，为保障婴儿的安全会实现紧急制动，并给用户发出警告提醒。

　　电子论文投稿刊物：《遥感学报》结合中国遥感事业不同时期的重点和需要，刊登了大量国内最新科研成果和国家重点支持的研究项目的成果论文，对中国遥感科学技术的发展和人才培养发挥了巨大作用，成为目前中国遥感和地理信息科学领域最有影响的学术期刊。

　　4.结束语

　　本次设计的自动跟随婴儿车针对婴儿的尿湿检测温度成像差的问题做了一定的优化，通过图像的双线性插值算法使检测区域内的温度值更加细化，提高了尿湿的检测的精度。同时也在自动跟随方面为适应更多的使用场景做了优化。

　　参考文献：

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　　[2] 张占新,材料力学.西安：西北工业大学出版社.2005

　　[3] 于永泗,齐民.机械工程材料.大连：大连理工大学出版社.2007

　　[4] 张增超,李强,孙红雨,楼亮亮.基于地磁传感器和UWB技术的停车位车辆检测方法与实现 [J]. 传感技术学报. 2019 (12)

　　作者：谢成杰 常高旗 陈志康 陈昭炜 程家宜

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