一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能旅行箱設(shè)計(jì)

羅奕幫，譚曉靜，陳海亮，陳金佳，張 鎮(zhèn)，張江銀

（閩南理工學(xué)，福建 石獅362700）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)箱包市場(chǎng)逐漸推出智能旅行箱系列產(chǎn)品，智能化通常體現(xiàn)在安檢自動(dòng)開(kāi)鎖方面，或者手機(jī)可以在拉桿箱上充電，或者智能防丟報(bào)警，或者設(shè)計(jì)萬(wàn)向輪以及箱子外觀等方面，功能比較單一，市面上出現(xiàn)的兒童智能旅行箱的功能也局限在靜音萬(wàn)向輪，伸縮自如的拉桿，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跟隨、智能放丟、移動(dòng)充電等功能的旅行箱很少，價(jià)格較高，使用人數(shù)較少?；趥鹘y(tǒng)只有推拉功能的旅行箱，本文設(shè)計(jì)的智能旅行箱可以實(shí)現(xiàn)遙控追隨，距離報(bào)警，定位追尋，對(duì)外充電，稱重等基本功能。最大限度的方便使用者的旅途，為使用者解決對(duì)于旅行箱的各種“后顧之憂”。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品通過(guò)多種傳感器感應(yīng)和處理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的尋跡追隨，省去肩拉擔(dān)扛的煩惱；并實(shí)現(xiàn)“物物相連”，使使用者不必躬身探查行李箱以了解行李箱的各種狀態(tài)，只需要通過(guò)身上必備的手機(jī)，使用其上的APP即可實(shí)時(shí)了解行李箱的各種狀態(tài)，比如：當(dāng)與使用者的距離超出范圍時(shí)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)提醒使用者；對(duì)外充電，出門(mén)在外手機(jī)沒(méi)電或者其他用電設(shè)備沒(méi)電時(shí)，可使用行李箱對(duì)其反向充電；當(dāng)使用者想了解自己行李箱所承載的重量是否超出飛機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備的規(guī)定范圍時(shí)，可通過(guò)APP即可了解所有物的重量；當(dāng)使用者不幸丟失行李箱時(shí)，可通過(guò)APP知詳行李箱的位置，進(jìn)而尋回。具體見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 電源框圖

圖2 智能旅行箱框架結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、GPS定位模塊[1]、報(bào)警模塊依次相連，電源模塊采用蓄電池提供各模塊供電，利用OTG技術(shù)[2]，輸出降壓電壓實(shí)現(xiàn)反向充電，供隨身電子設(shè)備手機(jī)或其他用電設(shè)備充電，反向充電手機(jī)類型僅適合魅組、三星、小米、華為等具備OTG功能機(jī)；采用STC系列單片機(jī)，直流電機(jī)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，采用電流精確檢測(cè)技術(shù)、有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速自檢測(cè)技術(shù)、再生電流恒電流制動(dòng)、PID調(diào)解技術(shù)，可較好控制電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、換向過(guò)程和堵轉(zhuǎn)保護(hù)；藍(lán)牙模塊用于追蹤行李箱的蹤跡；定位模塊進(jìn)行GPS定位，將定位信息反饋到智能手機(jī)APP上，監(jiān)測(cè)行李箱運(yùn)動(dòng)軌跡，將行李箱定位導(dǎo)航信號(hào)傳遞至藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制旅行箱的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行李箱的自動(dòng)跟隨功能，當(dāng)行李箱超過(guò)預(yù)定距離時(shí)，發(fā)送信號(hào)至報(bào)警模塊，發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，放丟失。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 智能手機(jī)APP

本系統(tǒng)充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢(shì)[3]，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的手機(jī)APP，通過(guò)智能手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)旅行箱的控制，通過(guò)APP連接藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)使用者-行李箱的人機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)在藍(lán)牙控制下自動(dòng)跟隨，將位置信息反饋給手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)旅行箱的定位導(dǎo)航，同時(shí)追蹤運(yùn)動(dòng)軌跡，本系統(tǒng)可控制跟隨主人在地毯、毛毯、水泥路、大理石等地面活動(dòng)，當(dāng)離開(kāi)主人10 m以外發(fā)出語(yǔ)音提示信號(hào)，實(shí)現(xiàn)行李箱防丟失。如圖3所示，通過(guò)智能手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)地圖軌跡跟蹤，遙控器控制的雙控制操作。

圖3APP操作界面

3.2 自動(dòng)稱重

重量檢測(cè)模塊采用電阻應(yīng)變片稱重傳感器（見(jiàn)圖4），額定載荷20 kg。檢測(cè)原理是在被測(cè)物體上貼附應(yīng)變片，被測(cè)物體表面發(fā)生變化時(shí)應(yīng)變片里面的金屬箔隨之彎曲，根據(jù)金屬發(fā)生機(jī)械彎曲時(shí)電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化的原理，根據(jù)應(yīng)變片的彎曲度，就可以確定電阻變化，輸出電壓發(fā)生變化。因此使用者想了解自己行李箱所承載的重量是否超出飛機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備的規(guī)定范圍時(shí)，可通過(guò)APP即可了解所有物的重量。

圖4 稱重傳感器原理圖

3.3 紅外接收模塊

本設(shè)計(jì)中通過(guò)紅外接受模塊，判斷使用者位置，通過(guò)5~10個(gè)紅外傳感器采集行李箱前面的紅外反射數(shù)據(jù)，至單片機(jī)，控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)器，實(shí)現(xiàn)行李箱的運(yùn)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退。單片機(jī)系統(tǒng)接收紅外數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果控制距離閾值的修改。本模塊采用具有尋跡、避障功能的紅外傳感器，檢測(cè)距離在50 cm以內(nèi)，通過(guò)發(fā)射管發(fā)出的紅外線，遇到障礙物（使用者），紅外線發(fā)射回來(lái)，接受管接收信號(hào)。該模塊檢測(cè)角度0~350，通過(guò)閾值比較電壓實(shí)現(xiàn)檢測(cè)距離可調(diào)，比較器采用LM933，工作性能穩(wěn)定，該傳感器較廣泛用于智能小車避障，機(jī)器人避障等領(lǐng)域，并且抗干擾性較強(qiáng)，裝配方便，本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)調(diào)試效果較好。見(jiàn)圖5。

圖5 避障電路原理圖

3.4 藍(lán)牙模塊

采用HC-06藍(lán)牙串口模塊[4]、藍(lán)牙2.0協(xié)議，通用性比較高，可以用于許多工業(yè)數(shù)傳。作為藍(lán)牙串口，也可以于iPhone和Android設(shè)備以及模塊之間連接透?jìng)?。本設(shè)計(jì)旅行箱自動(dòng)跟隨功能融合藍(lán)牙、紅外定位雙重技術(shù)，使智能旅行箱跟隨主人在地毯、毛毯、水泥路、大理石等地面活動(dòng)，貼合實(shí)際運(yùn)行模式。見(jiàn)圖6。

圖6 藍(lán)牙模塊原理圖

4 算法實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的尋跡追隨。自動(dòng)跟隨模塊采用5個(gè)紅外傳感器采集使用者當(dāng)前位置信息，傳送給上位機(jī)，通過(guò)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值的修改。

如果采用單一傳感器采集到的數(shù)據(jù)往往含有噪聲，加上傳感器自身存在均方誤差，因此從含有噪聲的數(shù)據(jù)中得到的估計(jì)值必然存在估計(jì)誤差，誤差值有隨機(jī)性，使用此類數(shù)據(jù)會(huì)使系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性降低。因此可利用同種類多傳感器測(cè)量同一數(shù)據(jù)。本文對(duì)距離數(shù)據(jù)采用多組紅外傳感器進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)估計(jì)數(shù)據(jù)融合算法[5]。根據(jù)門(mén)限值對(duì)各傳感器方差的變化值進(jìn)行估計(jì)，按照加權(quán)系數(shù)平方和最小原則，對(duì)參與融合的各傳感器加權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保融合數(shù)據(jù)的均方誤差一直保持最小，這種算法并不需要傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)信息，該算法估計(jì)從理論上可以證明有線性無(wú)偏最小方差的特點(diǎn)。

檢驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性：設(shè)有N個(gè)傳感器對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，N組數(shù)據(jù)Xi（i=1，2，…，n），按照檢驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，相鄰兩數(shù)據(jù)差不超過(guò)給定門(mén)限值：

其中ε由傳感器精度確定。

加權(quán)系數(shù)估計(jì)：設(shè)N個(gè)傳感器對(duì)某系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的觀測(cè)方程：

其中，Y為n維測(cè)量向量，x為一維狀態(tài)量，e為n維測(cè)量噪聲向量，含噪聲信號(hào)，H為n維常向量。采用加權(quán)最小二乘法估計(jì)準(zhǔn)則，從向量Y中估計(jì)狀態(tài)量x，取加權(quán)誤差平方和最小值：

設(shè)正定對(duì)角加權(quán)陣W表達(dá)式：

具體算法：取兩個(gè)不同傳感器p，q，得到觀測(cè)數(shù)據(jù) Xp，Xq，計(jì)算互協(xié)方差函數(shù) Rpq，Rpq=E[XpXq]=E[X2]，計(jì)算Xp自互協(xié)方差函數(shù) Rpp，計(jì)算 Xp，Xq互協(xié)方差函數(shù)Rpq，根據(jù)傳感器測(cè)量到的k個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間域估計(jì)；

對(duì)每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的最優(yōu)加權(quán)因子，根據(jù)各自傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)以自適應(yīng)方式求出來(lái)。經(jīng)驗(yàn)證，在單傳感器不能提供信息不夠準(zhǔn)確和可靠度不高的情況下，使用多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，減少信息的模糊度，能夠改善系統(tǒng)的可靠性，增加確認(rèn)目標(biāo)的可信度，有效提高系統(tǒng)性能。

5 智能旅行箱的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)

本設(shè)計(jì)自動(dòng)跟隨旅行箱采用紅外傳感器，體積小，成本較低，可應(yīng)用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定空間位置并且能夠?qū)ζ溥\(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)顯示發(fā)出左傳、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)指令，在光滑路面可以成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能。當(dāng)離開(kāi)主人10 m以外發(fā)出警告?？勺詣?dòng)稱重。在行李箱電能富余時(shí)，手機(jī)沒(méi)電或者其他用電設(shè)備沒(méi)電可對(duì)其反向充電。當(dāng)行李箱丟失時(shí)，可在APP上通過(guò)GPS定位尋回。但是在非光滑路路面以及較惡劣天氣條件下，存在操控較困難的問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的旅行箱采用的智能技術(shù)體現(xiàn)在通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)模塊推送APP信息給使用者，通過(guò)避障傳感器使行李箱在跟隨使用者途中能夠避開(kāi)遇到的障礙物，完善了旅行箱智能化和人性化的功能。在國(guó)內(nèi)旅行箱市場(chǎng)上鮮有同類型產(chǎn)品，有廣闊的市場(chǎng)前景。多傳感器感應(yīng)和數(shù)據(jù)處理的融合技術(shù)算法可以運(yùn)用在探測(cè)、跟蹤、目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，可以提高系統(tǒng)的有效性，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的生存能力，提高數(shù)據(jù)的可信度等優(yōu)勢(shì)，但是目前多傳感器數(shù)據(jù)融合存在理論體系尚不完整的缺點(diǎn)，該算法應(yīng)用在智能控制領(lǐng)域方面有待進(jìn)一步完善和提高。