基于雙目視覺(jué)系統(tǒng)下的智能跟隨行李箱

於國(guó)旺， 袁新梅， 章潤(rùn)秋， 蘇 晗， 彭文凱

（長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北荊州 434000）

0 引言

在整個(gè)行李箱的智能設(shè)計(jì)上， 為了提高行李箱的智能化程度， 結(jié)合了很多電子智能化模塊。 諸如指紋總控模塊，藍(lán)牙連接模塊，雙目攝像頭，超聲波測(cè)距模塊，24V驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。 主控運(yùn)動(dòng)芯片采用STM32F103ZET6 芯片為控制內(nèi)核， 該芯片配有高性能的armCortex-M3 32 位RISC 核心。 其通過(guò)I/O 引腳及控制電路，與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并控制各模塊協(xié)同工作。 以達(dá)到智能啟停，自動(dòng)跟隨等功能。 控制系統(tǒng)流程為當(dāng)主控器接收到開(kāi)啟指令后， 控制ATK-OV7725 攝像頭從外界獲取圖像流，錄入并追蹤目標(biāo)使用者；HY-SRF05 超聲波模塊對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，對(duì)障礙做出規(guī)避反應(yīng)[1]。

在行李箱的結(jié)構(gòu)上為了提高其實(shí)用性， 也做了一些改變?cè)O(shè)計(jì)。 為了提升行李箱的收納和分類(lèi)效率， 對(duì)其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化分區(qū)，在箱體內(nèi)部設(shè)置多層開(kāi)合疊板，便于細(xì)小物品分類(lèi)擺放；為了使行李箱應(yīng)對(duì)更多場(chǎng)合，利用滑軌使箱體大小隨需求靈活伸縮變換； 為緩解行李箱上下樓費(fèi)力的情況，在箱體底側(cè)加入兩條耐磨導(dǎo)軌，且導(dǎo)軌上設(shè)置有機(jī)械防逆塊。 可以達(dá)到行李箱在上樓梯時(shí)借助導(dǎo)軌在樓梯上拖行， 并借助防逆塊防止箱體下滑出現(xiàn)事故，下樓時(shí)收起防逆塊，拖行箱體下滑。 借助這一裝置，很大程度上解決了行李箱在上下樓時(shí)的不便； 最后從人機(jī)工程學(xué)的角度分析，在拉桿上也做了一項(xiàng)改變，將傳統(tǒng)的伸縮式拉桿設(shè)計(jì)成了翻轉(zhuǎn)式拉桿， 使原來(lái)只有一個(gè)自由度的拉桿變成了三個(gè)自由度，使用起來(lái)更靈活，同時(shí)拉桿聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌上，強(qiáng)度也比傳統(tǒng)箱體更好。

1 創(chuàng)新功能介紹

1.1 雙目攝像頭智能跟隨

雙目測(cè)距基本原理[5]，見(jiàn)圖1，P是待測(cè)目標(biāo)物，OR與OT為兩個(gè)攝像頭點(diǎn)的計(jì)算感應(yīng)器，目標(biāo)物P 在兩個(gè)攝像頭上的成像點(diǎn)分別為P 和P’（相機(jī)的成像平面經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)后放在了鏡頭前方），攝像頭固有參數(shù)已知，相機(jī)焦距為f，相機(jī)中心距為B，所要求得的目標(biāo)深度信息為Z，設(shè)點(diǎn)P 到點(diǎn)P’之間的距離為s，

圖1 雙目測(cè)距原理圖

則：

在計(jì)算中， 攝像頭焦距和攝像頭的中心距B 可由產(chǎn)品參數(shù)得知，所以在計(jì)算時(shí)，只需要了解到了XR-XT（即視差d）的距離差就可求得目標(biāo)物的深度信息Z。

在設(shè)計(jì)算法時(shí)， 考慮到雙目攝像頭測(cè)距的具體流程分為4 個(gè)步驟：相機(jī)的標(biāo)定、雙目攝像頭的校正、雙目校核配對(duì)、合成算法輸出。

（1）相機(jī)的標(biāo)定：攝像頭受本身固有結(jié)構(gòu)影響，由光學(xué)透鏡的折射會(huì)使得成像存在著縱向扭曲， 可由3 個(gè)參數(shù)k1，k2，k3來(lái)進(jìn)行確定；同時(shí)由于產(chǎn)品安裝生產(chǎn)方面的誤差，傳感器與鏡頭之間也不是絕對(duì)的平行，因此會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物在傳感器上的成像存在橫向扭曲，可由兩個(gè)參數(shù)p1，p2確定。 對(duì)單個(gè)攝像頭的定標(biāo)目的主要是計(jì)算出攝像頭的內(nèi)參（焦距f 和成像原點(diǎn)cx，cy、五個(gè)畸變參數(shù)。 而雙目攝像頭定標(biāo)不僅要得出每個(gè)攝像頭的內(nèi)部參數(shù)， 還需要通過(guò)標(biāo)定來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)攝像頭之間的相對(duì)位置 （即右攝像頭相對(duì)于左攝像頭的旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移向量t）以便于在算法階段減少系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

（2）雙目攝像頭的校正：雙目校正是根據(jù)攝像頭定標(biāo)后獲得的單目?jī)?nèi)參數(shù)據(jù)（焦距、成像原點(diǎn)、扭曲畸變系數(shù)）和雙目相對(duì)位置距離（旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量），分別對(duì)左右視圖進(jìn)行消除扭曲和行對(duì)準(zhǔn)， 使得左右視圖的成像原點(diǎn)坐標(biāo)一致、兩攝像頭光軸平行、左右成像平面共面、對(duì)極線行對(duì)齊。 這樣一幅圖像上任意一點(diǎn)與其在另一幅圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)就必然具有相同的行號(hào)， 只需在該行進(jìn)行一維搜索即可匹配到對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

（3）雙目校核配對(duì)：雙目配對(duì)的目的是把同一情景在左右視圖上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)銜接匹配起來(lái)， 目的是為了得到視差圖。得到多組視差數(shù)據(jù)后，通過(guò)上述原理中的計(jì)算公式就能計(jì)算出深度信息。 圖2 中可以得出：

圖2 視覺(jué)深度對(duì)比圖

結(jié)論一：深度變化（EG×EF/（AB+CD）或者H 到EF 的距離）， 會(huì)導(dǎo)致AB，CD 和AB+CD 的變化。當(dāng)深度變大時(shí)，AB+CD 逐漸變小。

從公式：AC=EF-AB-DC

結(jié)論二：當(dāng)深度不變， 那么我們的AB+CD 也不會(huì)改變， 可以看出，深度和單獨(dú)的AB 與CD 沒(méi)有直接關(guān)系，而只與兩者的和有關(guān)。

AB+CD 與同一距離的視差是想等的。

AB+DC=XR-XT

此處AB、DC 用向量相加 （AB+DC=（Bx-Ax）+（Cx-Dx）， 其中，Bx 為左圖像的中點(diǎn)x，Dx 為右圖像的中點(diǎn)x，Ax，Cx 為兩幅圖同一特征點(diǎn)的x 坐標(biāo)。

XR-XT=XRx-XTx（XRx與XTx分別是兩幅圖同一特征點(diǎn)的x 坐標(biāo)）

1.2 內(nèi)部空間設(shè)計(jì)總結(jié)

在行李箱中加上菱形結(jié)構(gòu)的多層疊板，見(jiàn)圖4，充分的展現(xiàn)了內(nèi)部多層疊板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及其實(shí)用功效。 在該設(shè)計(jì)中，我們善于留意生活中的其它結(jié)構(gòu)，巧妙的運(yùn)用一種發(fā)散思維，創(chuàng)新性的運(yùn)用到行李箱中。 利用同類(lèi)物品化妝盒收納的共性，結(jié)合它的設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到行李箱上，并且參考整個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理， 考慮實(shí)際可行性與意義，給行李分類(lèi)提供了一個(gè)新的創(chuàng)新方向。 這種可折疊收納箱極大地減少了我們尋找物品的時(shí)間， 可以有效的使我們對(duì)行李分類(lèi)-收納更為高效，使用起來(lái)也更節(jié)約行李箱空間。

圖4 箱體內(nèi)部空間展開(kāi)圖

1.3 空間伸展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

空間伸展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了解決行李箱箱體容積固定， 占體積大的缺點(diǎn)， 生活中中出行有時(shí)需要帶大量的行李，但手上行李箱容積太小，因此甚至?xí)虼硕鄮讉€(gè)行李箱。亦或是行李箱的容積過(guò)大，雖然容量大但是使用時(shí)過(guò)于笨重且用不了那么容積，甚至帶來(lái)登機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的不便。 針對(duì)行李箱的這些問(wèn)題， 我們采取了一種可伸縮的結(jié)構(gòu)來(lái)改善這種狀況。 箱體伸開(kāi)圖和收縮圖分別見(jiàn)圖5，圖6。

圖5 箱體拉伸狀態(tài)圖

圖6 箱體收縮狀態(tài)圖

該原理借鑒類(lèi)似抽屜的結(jié)構(gòu)，可以自由收縮和拉出，在伸縮的固定上又借鑒了皮帶的齒條-卡扣結(jié)構(gòu)。根據(jù)上圖我們可以見(jiàn)到。 在箱體側(cè)面置有四根滑動(dòng)導(dǎo)軌與箱體相固連，四條導(dǎo)軌均布有限位功能，防止箱體在滑動(dòng)過(guò)程中脫軌，滑軌的固定采用齒條-卡扣進(jìn)行鎖死，使用時(shí)按下卡扣，調(diào)節(jié)箱體容積，裝好行李后直接稍微下壓上箱體，即可實(shí)現(xiàn)物品較為緊實(shí)的放置在箱體內(nèi)。在上箱體的嵌入式結(jié)構(gòu)里有控制運(yùn)動(dòng)定位的卡扣結(jié)構(gòu)，同時(shí)在下箱體的嵌入式結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁里有齒條結(jié)構(gòu)， 箱體內(nèi)部布置有對(duì)稱(chēng)兩組，以便使其受力均勻，容積調(diào)整時(shí)更為準(zhǔn)確可靠。

1.4 上下樓輔助裝置結(jié)構(gòu)概述

上下樓梯輔助結(jié)構(gòu)由兩條固定在箱體背側(cè)的金屬條導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌作上下樓梯的“履帶”。 使用時(shí)，拖動(dòng)箱體拉桿， 使箱體背側(cè)導(dǎo)軌與樓梯接觸， 可達(dá)到一種借力效果。兩根導(dǎo)軌上均勻布有多組制動(dòng)“防逆塊”，可防止拉桿脫手，行李箱從樓梯上墜落發(fā)生事故，同時(shí)也可做上樓時(shí)休息的“剎車(chē)”裝置。考慮到使用時(shí)工作條件較為惡劣，磨損較高，設(shè)計(jì)該導(dǎo)軌材料選用硬鋁合金Lc4，一體鑄造而成。 輔助裝置模型見(jiàn)圖7。

圖7 箱體上下樓梯模擬圖

結(jié)構(gòu)上具體設(shè)計(jì)為，在箱體背側(cè)均布四根金屬導(dǎo)軌。 四條導(dǎo)軌上布有多組活動(dòng)“防逆塊”，“防逆塊”與導(dǎo)軌用鉸鏈連接，自由活動(dòng)角度為0～50°，“防逆塊” 之間用連桿銜接，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵聯(lián)動(dòng)控制，收起時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)位于滑軌最上端的磁鐵控制開(kāi)關(guān)，收起“防逆塊”，使其緊緊貼合在導(dǎo)軌里面，見(jiàn)圖8。 這樣在下樓時(shí)可借助樓梯， 使用拉桿拖動(dòng)達(dá)到下樓借力目的。當(dāng)關(guān)閉磁鐵開(kāi)關(guān)，放下“防逆塊” 時(shí)，“防逆塊”在重力作用下自由下垂，上樓時(shí)遇到樓梯阻礙會(huì)收起，下樓時(shí)自然下垂的“防逆塊” 可作為制動(dòng)裝置防止出現(xiàn)事故。 通過(guò)磁鐵開(kāi)關(guān)控制“防逆塊”的活動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)箱體單向運(yùn)動(dòng)。能保證在上下樓的使用時(shí)箱體受控制。

圖8 上下樓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)， 這種外置導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)， 既不占用箱體內(nèi)部空間，也可以在很大程度上增強(qiáng)了箱體整體的牢固度。

2.5 拉桿翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)概述

行李箱把手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括把手折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和把手旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 為了實(shí)現(xiàn)行李箱上下樓梯的省力功能，將拉桿的直桿設(shè)計(jì)為可翻轉(zhuǎn)折疊結(jié)構(gòu)；為了節(jié)省箱體內(nèi)部空間， 將常規(guī)內(nèi)置雙桿設(shè)計(jì)成外置雙桿與導(dǎo)軌連接，并將拉手端設(shè)計(jì)為圓環(huán)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖9，可以在360°范圍內(nèi)滿(mǎn)足使用者在移動(dòng)行李箱中對(duì)把手角度變化的需要，增加了拉桿自由度，使行李箱使用起來(lái)更為靈活順手。

圖9 手把及拉桿結(jié)構(gòu)圖

2 功能實(shí)現(xiàn)流程圖

前期具備功能：①防碰撞-避障功能 （采用超聲波模塊+偏移角度算法），對(duì)前方左中右障礙物的距離進(jìn)行測(cè)量，并判斷障礙物的位置，做避讓或者停車(chē)動(dòng)作；②防跌落功能（采用紅外線模塊），利用紅外測(cè)距原理，對(duì)底盤(pán)與地面的距離進(jìn)行測(cè)量，高于設(shè)定距離即刻停車(chē)。測(cè)試距離8cm，遇到深坑自動(dòng)停止，見(jiàn)圖10。

圖10 功能實(shí)現(xiàn)流程圖

3 結(jié)論

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年中國(guó)國(guó)內(nèi)旅游人次達(dá)到60.06 億人次，同比增長(zhǎng)8.43%。 交通運(yùn)輸業(yè)和旅游業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)周邊相關(guān)產(chǎn)品的消費(fèi)提升， 行李箱作為一款出行必備商品，需求量日益增多。

本文實(shí)現(xiàn)了在模擬情景中多功能行李箱在視覺(jué)模塊下的自動(dòng)跟隨功能，能較好的解放雙手，提高旅行體驗(yàn)感；在箱體結(jié)構(gòu)上多處運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)，很大程度上提高了行李箱在收納分類(lèi)方面的效率；在安全防盜方面結(jié)合指紋鎖啟動(dòng)，高效便捷的提高了行李箱使用安全性。 但在一些惡劣條件下仍具有一定缺陷，如動(dòng)力和本身結(jié)構(gòu)限制無(wú)法平穩(wěn)穿越馬路減速帶， 在上坡時(shí)需手扶住拉桿避免箱體傾翻，有時(shí)候需要注意調(diào)配重心方便底部智能跟隨驅(qū)動(dòng)。