基于双目视觉系统下的智能跟随行李箱

於国旺， 袁新梅， 章润秋， 苏 晗， 彭文凯

（长江大学机械工程学院， 湖北荆州 434000）

0 引言

在整个行李箱的智能设计上， 为了提高行李箱的智能化程度， 结合了很多电子智能化模块。 诸如指纹总控模块，蓝牙连接模块，双目摄像头，超声波测距模块，24V驱动电机等。 主控运动芯片采用STM32F103ZET6 芯片为控制内核， 该芯片配有高性能的armCortex-M3 32 位RISC 核心。 其通过I/O 引脚及控制电路，与各模块进行数据交换，并控制各模块协同工作。 以达到智能启停，自动跟随等功能。 控制系统流程为当主控器接收到开启指令后， 控制ATK-OV7725 摄像头从外界获取图像流，录入并追踪目标使用者；HY-SRF05 超声波模块对外界环境进行探测，对障碍做出规避反应[1]。

在行李箱的结构上为了提高其实用性， 也做了一些改变设计。 为了提升行李箱的收纳和分类效率， 对其空间结构进行了细化分区，在箱体内部设置多层开合叠板，便于细小物品分类摆放；为了使行李箱应对更多场合，利用滑轨使箱体大小随需求灵活伸缩变换； 为缓解行李箱上下楼费力的情况，在箱体底侧加入两条耐磨导轨，且导轨上设置有机械防逆块。 可以达到行李箱在上楼梯时借助导轨在楼梯上拖行， 并借助防逆块防止箱体下滑出现事故，下楼时收起防逆块，拖行箱体下滑。 借助这一装置，很大程度上解决了行李箱在上下楼时的不便； 最后从人机工程学的角度分析，在拉杆上也做了一项改变，将传统的伸缩式拉杆设计成了翻转式拉杆， 使原来只有一个自由度的拉杆变成了三个自由度，使用起来更灵活，同时拉杆联结在导轨上，强度也比传统箱体更好。

1 创新功能介绍

1.1 双目摄像头智能跟随

双目测距基本原理[5]，见图1，P是待测目标物，OR与OT为两个摄像头点的计算感应器，目标物P 在两个摄像头上的成像点分别为P 和P’（相机的成像平面经过旋转后放在了镜头前方），摄像头固有参数已知，相机焦距为f，相机中心距为B，所要求得的目标深度信息为Z，设点P 到点P’之间的距离为s，

图1 双目测距原理图

则：

在计算中， 摄像头焦距和摄像头的中心距B 可由产品参数得知，所以在计算时，只需要了解到了XR-XT（即视差d）的距离差就可求得目标物的深度信息Z。

在设计算法时， 考虑到双目摄像头测距的具体流程分为4 个步骤：相机的标定、双目摄像头的校正、双目校核配对、合成算法输出。

（1）相机的标定：摄像头受本身固有结构影响，由光学透镜的折射会使得成像存在着纵向扭曲， 可由3 个参数k1，k2，k3来进行确定；同时由于产品安装生产方面的误差，传感器与镜头之间也不是绝对的平行，因此会导致目标物在传感器上的成像存在横向扭曲，可由两个参数p1，p2确定。 对单个摄像头的定标目的主要是计算出摄像头的内参（焦距f 和成像原点cx，cy、五个畸变参数。 而双目摄像头定标不仅要得出每个摄像头的内部参数， 还需要通过标定来测量两个摄像头之间的相对位置 （即右摄像头相对于左摄像头的旋转矩阵R、平移向量t）以便于在算法阶段减少系统带来的误差。

（2）双目摄像头的校正：双目校正是根据摄像头定标后获得的单目内参数据（焦距、成像原点、扭曲畸变系数）和双目相对位置距离（旋转矩阵和平移向量），分别对左右视图进行消除扭曲和行对准， 使得左右视图的成像原点坐标一致、两摄像头光轴平行、左右成像平面共面、对极线行对齐。 这样一幅图像上任意一点与其在另一幅图像上的对应点就必然具有相同的行号， 只需在该行进行一维搜索即可匹配到对应点。

（3）双目校核配对：双目配对的目的是把同一情景在左右视图上对应的像点衔接匹配起来， 目的是为了得到视差图。得到多组视差数据后，通过上述原理中的计算公式就能计算出深度信息。 图2 中可以得出：

图2 视觉深度对比图

结论一：深度变化（EG×EF/（AB+CD）或者H 到EF 的距离）， 会导致AB，CD 和AB+CD 的变化。当深度变大时，AB+CD 逐渐变小。

从公式：AC=EF-AB-DC

结论二：当深度不变， 那么我们的AB+CD 也不会改变， 可以看出，深度和单独的AB 与CD 没有直接关系，而只与两者的和有关。

AB+CD 与同一距离的视差是想等的。

AB+DC=XR-XT

此处AB、DC 用向量相加 （AB+DC=（Bx-Ax）+（Cx-Dx）， 其中，Bx 为左图像的中点x，Dx 为右图像的中点x，Ax，Cx 为两幅图同一特征点的x 坐标。

XR-XT=XRx-XTx（XRx与XTx分别是两幅图同一特征点的x 坐标）

1.2 内部空间设计总结

在行李箱中加上菱形结构的多层叠板，见图4，充分的展现了内部多层叠板结构的优势以及其实用功效。 在该设计中，我们善于留意生活中的其它结构，巧妙的运用一种发散思维，创新性的运用到行李箱中。 利用同类物品化妆盒收纳的共性，结合它的设计理念应用到行李箱上，并且参考整个机构的工作原理， 考虑实际可行性与意义，给行李分类提供了一个新的创新方向。 这种可折叠收纳箱极大地减少了我们寻找物品的时间， 可以有效的使我们对行李分类-收纳更为高效，使用起来也更节约行李箱空间。

图4 箱体内部空间展开图

1.3 空间伸展结构设计概述

空间伸展结构的设计是为了解决行李箱箱体容积固定， 占体积大的缺点， 生活中中出行有时需要带大量的行李，但手上行李箱容积太小，因此甚至会因此多带几个行李箱。亦或是行李箱的容积过大，虽然容量大但是使用时过于笨重且用不了那么容积，甚至带来登机、转运时的不便。 针对行李箱的这些问题， 我们采取了一种可伸缩的结构来改善这种状况。 箱体伸开图和收缩图分别见图5，图6。

图5 箱体拉伸状态图

图6 箱体收缩状态图

该原理借鉴类似抽屉的结构，可以自由收缩和拉出，在伸缩的固定上又借鉴了皮带的齿条-卡扣结构。根据上图我们可以见到。 在箱体侧面置有四根滑动导轨与箱体相固连，四条导轨均布有限位功能，防止箱体在滑动过程中脱轨，滑轨的固定采用齿条-卡扣进行锁死，使用时按下卡扣，调节箱体容积，装好行李后直接稍微下压上箱体，即可实现物品较为紧实的放置在箱体内。在上箱体的嵌入式结构里有控制运动定位的卡扣结构，同时在下箱体的嵌入式结构的内壁里有齿条结构， 箱体内部布置有对称两组，以便使其受力均匀，容积调整时更为准确可靠。

1.4 上下楼辅助装置结构概述

上下楼梯辅助结构由两条固定在箱体背侧的金属条导轨组成，导轨作上下楼梯的“履带”。 使用时，拖动箱体拉杆， 使箱体背侧导轨与楼梯接触， 可达到一种借力效果。两根导轨上均匀布有多组制动“防逆块”，可防止拉杆脱手，行李箱从楼梯上坠落发生事故，同时也可做上楼时休息的“刹车”装置。考虑到使用时工作条件较为恶劣，磨损较高，设计该导轨材料选用硬铝合金Lc4，一体铸造而成。 辅助装置模型见图7。

图7 箱体上下楼梯模拟图

结构上具体设计为，在箱体背侧均布四根金属导轨。 四条导轨上布有多组活动“防逆块”，“防逆块”与导轨用铰链连接，自由活动角度为0～50°，“防逆块” 之间用连杆衔接，可通过转动磁铁联动控制，收起时，转动位于滑轨最上端的磁铁控制开关，收起“防逆块”，使其紧紧贴合在导轨里面，见图8。 这样在下楼时可借助楼梯， 使用拉杆拖动达到下楼借力目的。当关闭磁铁开关，放下“防逆块” 时，“防逆块”在重力作用下自由下垂，上楼时遇到楼梯阻碍会收起，下楼时自然下垂的“防逆块” 可作为制动装置防止出现事故。 通过磁铁开关控制“防逆块”的活动，可以实现箱体单向运动。能保证在上下楼的使用时箱体受控制。

图8 上下楼导轨结构图

同时， 这种外置导轨的结构， 既不占用箱体内部空间，也可以在很大程度上增强了箱体整体的牢固度。

2.5 拉杆翻转结构概述

行李箱把手结构设计主要包括把手折叠结构设计和把手旋转结构设计。 为了实现行李箱上下楼梯的省力功能，将拉杆的直杆设计为可翻转折叠结构；为了节省箱体内部空间， 将常规内置双杆设计成外置双杆与导轨连接，并将拉手端设计为圆环旋转结构，见图9，可以在360°范围内满足使用者在移动行李箱中对把手角度变化的需要，增加了拉杆自由度，使行李箱使用起来更为灵活顺手。

图9 手把及拉杆结构图

2 功能实现流程图

前期具备功能：①防碰撞-避障功能 （采用超声波模块+偏移角度算法），对前方左中右障碍物的距离进行测量，并判断障碍物的位置，做避让或者停车动作；②防跌落功能（采用红外线模块），利用红外测距原理，对底盘与地面的距离进行测量，高于设定距离即刻停车。测试距离8cm，遇到深坑自动停止，见图10。

图10 功能实现流程图

3 结论

近年来，随着中国经济的快速发展，交通运输业和旅游业发展迅速，据统计，截至2019 年中国国内旅游人次达到60.06 亿人次，同比增长8.43%。 交通运输业和旅游业的快速发展带动周边相关产品的消费提升， 行李箱作为一款出行必备商品，需求量日益增多。

本文实现了在模拟情景中多功能行李箱在视觉模块下的自动跟随功能，能较好的解放双手，提高旅行体验感；在箱体结构上多处运用人机工程学，很大程度上提高了行李箱在收纳分类方面的效率；在安全防盗方面结合指纹锁启动，高效便捷的提高了行李箱使用安全性。 但在一些恶劣条件下仍具有一定缺陷，如动力和本身结构限制无法平稳穿越马路减速带， 在上坡时需手扶住拉杆避免箱体倾翻，有时候需要注意调配重心方便底部智能跟随驱动。