基于UWB定位和OpenMV識(shí)別的智能跟隨行李箱設(shè)計(jì)

葉思言 張永寧 李錦 張煉科 周玉 鄭美芳 張松

摘要：為解決人們?nèi)粘３鲂袝r(shí)因行李過(guò)多過(guò)重而導(dǎo)致行進(jìn)不方便的問(wèn)題，提出基于UWB定位和OpenMV識(shí)別的智能跟隨行李箱設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)以STM32F429單片機(jī)作為控制核心，采用UWB定位模塊、OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊、無(wú)線通信模塊、超聲波避障模塊等做外設(shè)，通過(guò)OpenMV攝像頭拍攝圖像并結(jié)合機(jī)器視覺(jué)算法對(duì)圖片信息進(jìn)行處理以此識(shí)別行李箱使用者，以PID算法調(diào)控行李箱的跟隨速度與滾輪的轉(zhuǎn)向助力，使用UWB定位技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行李箱的位置。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨、實(shí)時(shí)定位與通信以及避障等功能，達(dá)到了“釋放雙手”的目的。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟隨;超寬帶技術(shù);嵌入式圖像處理;智能行李箱

中圖分類號(hào)：TP249?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）03-0029-05

Abstract：In order to solve the problem of the inconvenience caused by the excessive luggage during daily travel， the design scheme of intelligent following luggage based on UWB positioning and OpenMV recognition was proposed in this paper. It is designed with STM32F429 microcontroller as the control core， and the UWB positioning module， OpenMV machine vision module， wireless communication module， ultrasonic obstacle avoidance module， etc. are used as peripherals. The image is captured by the OpenMV camera and the machine vision algorithm is used to process the picture information to identify the luggage user. The PID algorithm is used to control the following speed of the luggage and the steering power of the roller. The UWB positioning technology is used to monitor the position of the luggage in real-time. The test results show that the system can realize the functions of automatic following， real-time positioning， communication， and obstacle avoidance， and achieves the purpose of “release hands”.

Keywords：automatic following;Ultra Wide Band（UWB）;OpenMV;intelligent luggage

行李箱是人們外出、遠(yuǎn)行時(shí)不可或缺的拖載工具。過(guò)去，傳統(tǒng)拉桿式托運(yùn)行李箱一直不斷強(qiáng)調(diào)其“持久耐用”的特性，在外觀設(shè)計(jì)方面也都大同小異，沒(méi)有特別突出的特性。在使用過(guò)程中，會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的拖拽導(dǎo)致手臂肌肉酸痛甚至可能拉傷肌肉，增加旅人的疲憊感，影響人們的出行質(zhì)量。而現(xiàn)在，移動(dòng)互聯(lián)的“智能”應(yīng)用模式開始進(jìn)入到旅行箱包領(lǐng)域，并對(duì)箱包發(fā)起了功能性變革。

本文基于OpenMV（嵌入式圖像處理）庫(kù)中的視覺(jué)算法與超帶寬（Ultra Wide Band，UWB）無(wú)線電定位技術(shù)[1]，完成智能跟隨行李箱的方案設(shè)計(jì)，使用OpenMV和UWB技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)行李箱精準(zhǔn)跟隨。使用超聲波測(cè)距感知周圍環(huán)境完成避障功能。同時(shí)利用自制手環(huán)顯示行李箱的方位、電量等數(shù)據(jù)。此方案實(shí)現(xiàn)了行李箱智能跟隨、避障和報(bào)警等功能，智能跟隨行李箱為人們的出行提供了極大的便利。

1?總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1?總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

智能跟隨行李箱系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括：行李箱箱體、硬件主控制板、直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組、供電模組、手環(huán)、UWB定位系統(tǒng)、OpenMV識(shí)別模塊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2?電路原理框圖

本設(shè)計(jì)以STM32F429為控制中心，OpenMV模塊通過(guò)I2C總線協(xié)議進(jìn)行相關(guān)信息的獲取與傳輸，UWB定位模塊與無(wú)線通信模塊分別通過(guò)2個(gè)串口進(jìn)行通信，通過(guò)GPIO口（PA14、PB5、PB0、PB1）分別作為4個(gè)超聲波的接收信號(hào)控制引腳，通過(guò)GPIO口（PA3、PA5）輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。整個(gè)電路采用12 V鋰電池組供電，再通過(guò)穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V分別為單片機(jī)和定位系統(tǒng)供電。智能跟隨行李箱系統(tǒng)電路原理框圖如圖2所示。

2?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1?主控板選型

本設(shè)計(jì)以STM32F429為主控芯片，STM32F103為輔助控制芯片[2]。主控芯片與輔助芯片之間通過(guò)WIFI通信。STM32F429主要控制行李箱箱體上所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基站與各種設(shè)備的通信、OpenMV攝像頭對(duì)用戶的圖像信息識(shí)別處理、電機(jī)控制滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)、人機(jī)之間無(wú)線通信以及超聲波檢測(cè)避障等。STM32F103負(fù)責(zé)接收UWB發(fā)送的信息，判斷用戶與智能行李箱之間的距離，當(dāng)距離超過(guò)設(shè)定值時(shí)，向手環(huán)端發(fā)送報(bào)警提醒。

2.2?UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

UWB定位系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成：電池供電的UWB定位標(biāo)簽、UWB基站（包含信號(hào)發(fā)射源和信號(hào)回收傳感器）以及信號(hào)處理軟、硬件平臺(tái)，其原理如圖3所示。多組基站對(duì)同一標(biāo)簽測(cè)距后，將所測(cè)數(shù)據(jù)上傳到主控制板確定位置。設(shè)計(jì)中信號(hào)發(fā)射源和回收傳感器集成一體，模塊內(nèi)置STM32微處理器，控制中心可以通過(guò)串口命令進(jìn)行UWB參數(shù)設(shè)置、信號(hào)的發(fā)送和接收，并通過(guò)三角定位方式計(jì)算出基站與標(biāo)簽之間的距離。

到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival）、到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）定位技術(shù)是UWB定位算法中比較成熟的幾種定位算法。本設(shè)計(jì)采用TOA定位技術(shù)，TOA定位技術(shù)通過(guò)分別測(cè)量移動(dòng)終端與3個(gè)或更多基站之間信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)定位[4]。

如圖4所示，設(shè)行李箱的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），在行李箱的兩側(cè)及對(duì)側(cè)中間分別安裝3個(gè)UWB基站，其坐標(biāo)分別記為A（Xa，Ya，Za），B（Xb，Yb，Zb），C（Xc，Yc，Zc）。對(duì)象標(biāo)簽為用戶所戴手環(huán)如圖4中的紅點(diǎn)，其位置為（X，Y，Z），為方便計(jì)算，設(shè)定基站AB與AC之間形成的夾角為90°，測(cè)量得到A、B、C基站與對(duì)象標(biāo)簽之間的電波傳播時(shí)間分別ta，tb，tc，可得方程組：

2.3?機(jī)器視覺(jué)處理模塊設(shè)計(jì)

OpenMV通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言Python腳本控制OpenMV以及I/O口引腳。本設(shè)計(jì)采用OpenMV4系列，基于STM32H743VI ARM Cortex M7處理器為核心集Ov7725感光元件、USB（12 Mb/s）接口、SD卡槽、電池接口、模數(shù)變換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組件于一體的機(jī)器視覺(jué)模塊[5]。模塊共有10個(gè)I/O引腳，其中3個(gè)I/O引腳用于舵機(jī)控制。

基于OpenMV的跟隨行李箱，要求實(shí)時(shí)識(shí)別用戶的狀態(tài)，就需要快速處理獲取的圖像信息，模塊的SPI總線速度高達(dá)54 Mb/s，同時(shí)具有I2C總線，CAN總線和異步串口總線，用來(lái)連接其他控制器或者傳感器，其接口可以疊加。OpenMV4顏色識(shí)別每秒可達(dá)85幀到90幀左右，像素最高可達(dá)到30萬(wàn)。它集成了很多圖像處理的算法，能實(shí)現(xiàn)顏色追蹤、標(biāo)記跟蹤、人臉檢測(cè)、眼動(dòng)跟蹤等功能[6]。本設(shè)計(jì)主要使用基于OpenMV庫(kù)中的圖像、光源識(shí)別算法，識(shí)別用戶身后的特定圖形、顏色、光源信號(hào)，如圖5所示。將獲取的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨的功能。

2.4?電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

TB6612FNG是雙供電H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，每通道輸出最高1 A的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流高達(dá)3.2 A，輸出電流閾值為2 A。PWM支持頻率高達(dá)100 kHz[7]。此外TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)尺寸小，外圍電路簡(jiǎn)單且無(wú)需外加散熱。

芯片引腳VM口是直接給電機(jī)供12 V工作電壓的供電口，VCC口給芯片內(nèi)部邏輯器件供5V電壓，AINI/AIN2、BINI/BIN2以及PWMA/PWMB引腳為控制信號(hào)輸入端，AO1/AO2、BO1/BO2為2路電機(jī)控制輸入端。將AO1/AO2、BO1/BO2分別與編碼電機(jī)引腳相連，通過(guò)軟件程序?qū)INI/AIN2、BINI/BIN2以及PWMA/PWMB等控制信號(hào)進(jìn)行控制模式配置以及占空比設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)跟隨行李箱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)控制模式邏輯表如表1所示。

2.5?無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

在行李箱自動(dòng)跟隨過(guò)程中，手環(huán)要實(shí)時(shí)顯示跟隨行李箱與用戶的距離、當(dāng)跟隨行李箱與用戶距離超過(guò)設(shè)定的安全值時(shí)，手環(huán)端會(huì)收到報(bào)警信息，這類與主控器非連接狀態(tài)的設(shè)備要將信息發(fā)送給主控器或者由主控器向這類設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，就需要用到無(wú)線通信模塊。本設(shè)計(jì)使用ESP8266 WIFI模塊，該模塊體積小，功耗低，使用3.3 V的直流電源供電，共有2組串口。ESP8266與主控（STM32）的管腳連接方式如表2所示。

2.6?避障模塊設(shè)計(jì)

跟隨行李箱在獨(dú)立行進(jìn)途中避免不了的功能就是自動(dòng)避障，本設(shè)計(jì)采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)避障功能。當(dāng)行李箱行進(jìn)途中遇到障礙物，聲波會(huì)進(jìn)行反射，利用聲波發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，聯(lián)立方程組即可解出行李箱與障礙物的實(shí)際距離。雖然超聲波的感應(yīng)速度和精度稍遜色于紅外光，遠(yuǎn)距離測(cè)距處于劣勢(shì)，但本設(shè)計(jì)中跟隨行李箱只要求近距離避障功能的實(shí)現(xiàn)即可。相比而言，超聲波避障的性價(jià)比更高。本設(shè)計(jì)在跟隨行李箱箱體前面板的上下方位以及兩側(cè)面板的中間位置分別固定4個(gè)超聲波進(jìn)行全方位障礙檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)避障功能。

2.7?系統(tǒng)流程圖

各器件功能實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)程序框圖如圖6所示。

3?樣機(jī)及測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，UWB位置放置呈三角狀分別安裝在行李箱兩側(cè)及中間，OpenMV由于視角要求則安裝于手拉桿頂部，電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輪安裝于行李箱底部，外圍實(shí)物圖連接如圖7所示。行李箱主控板如圖8所示。用戶手環(huán)電路如圖9所示。

針對(duì)目標(biāo)跟隨進(jìn)行功能測(cè)試，在跟隨過(guò)程中，當(dāng)行李箱與用戶之間的距離<50 cm，行李箱自動(dòng)減速等待在原地，當(dāng)距離>50 cm，行李箱跟隨速度隨之增加，直到與用戶之間距離保持在50 cm以內(nèi)。當(dāng)行李箱與用戶距離超過(guò)3 m時(shí)，則立即進(jìn)行報(bào)警。

針對(duì)避障功能進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)行李箱檢測(cè)到前進(jìn)的方向有靜止障礙物時(shí)，向左、向右轉(zhuǎn)動(dòng)，避開障礙物，且再次檢測(cè)是否還存在障礙物，如果有則再次避障。在此期間，攝像頭實(shí)時(shí)捕捉用戶圖像，避障完成后立即跟隨用戶前進(jìn)。

通過(guò)WiFi無(wú)線通信能將智能跟隨行李箱與用戶的距離實(shí)時(shí)顯示在用戶手環(huán)的OLED界面上，當(dāng)檢測(cè)到行李箱與用戶距離超過(guò)3 m時(shí)，手環(huán)端能接收到報(bào)警提示信息。

4?結(jié)束語(yǔ)

智能跟隨行李箱可以實(shí)現(xiàn)UWB定位、OpenMV圖像識(shí)別與處理、行李箱自動(dòng)跟隨、實(shí)時(shí)全方位避障、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和智能跟隨行李箱防盜報(bào)警等功能，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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