基于双目视觉快速高鲁棒性识别、定位的自动跟随行李箱的制作方法

本发明属于自动跟随行李箱，具体涉及一种涉及小型双目摄像机近距离抗干扰的目标模版局部surf快速匹配识别、双目视觉测距定位、单片机基于模糊控制的目标快速跟随算法，以及控制器小型化嵌入式设计的基于双目视觉快速高鲁棒性识别、定位的自动跟随行李箱。

背景技术：

行李箱是人们日常生活中长途出行的必备工具。传统的拉杆箱的确可以方便人们携带较重的物品，但是人们的双手依旧没有得到解放，长时间的拖动沉重的旅行箱行走也会使人产生疲劳。

现如今已经有工程师想到了利用电力代替人力的自跟随行李箱，而解决自动跟随主人的核心问题，就是行李箱通过何种传感器对主人进行准确的识别和实时的定位。放眼国外，西班牙的工程师利用蓝牙通信技术打造了一款自动识别手机蓝牙信号的行李箱。在国内，也有人想到利用超声波或者红外传感器来检测行李箱和人的相对距离，达到跟踪控制的目的，但这些方法都无法让行李箱真正地“看到”，并识别它的主人。而且在公共场合，无论是蓝牙，超声波，还是红外传感器都会受到来自周围环境的各种干扰，缺少视觉系统的行李箱不但没有识别和避障能力，甚至有可能失控撞到行人。而基于双目摄像机的识别定位则可以完美的解决这些问题。而且基于视觉伺服的闭环控制系统结构简单，算法计算量小，实时性和鲁棒性都更优越，成本也较低，具有良好的市场前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用双目摄像机识别主人身上佩戴的特征物品，并实时对主人进行定位，跟随其主人移动的基于双目视觉快速高鲁棒性识别、定位的自动跟随行李箱。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双目视觉快速高鲁棒性识别、定位的自动跟随行李箱，包括箱体外壳1、小型双目摄像机2、电机及其驱动3、舵机及其驱动4、滚动滑轮5、单片机控制器6、蓄电池7，利用安装在箱体外壳1、正面顶部的小型双目摄像机2、近距离获取主人侧面的图像信息，并识别主人腰间佩戴的特征物品，通过双目视觉定位原理测得特征目标的相对位置，由单片机控制器6、控制安装在箱体外壳1、底部的电机及其驱动3，带动滚动滑轮5、转动，完成直线跟随的任务，以同样的方式通过单片机控制器6、控制其舵机及其驱动，旋转滚动滑轮5的方向，在转弯时，调整行李箱的跟随姿态以及移动方向，完成转弯跟随的任务；蓄电池7为单片机控制器6与电机及其驱动3、舵机及其驱动4提供了所需的电力。

识别算法采用基于目标模版的局部surf快速检测，通过预先单独对佩戴的特征物体进行图像采集和特征点提取，再分别对左右摄像机获取图像中的目标进行匹配，进而达到了单一目标的双目互匹配。

所述下位机的控制算法采用基于速度和航向的综合模糊控制，根据高精确识别定位后的行李箱相对主人的水平距离和两者前后的偏移距离与给定跟随保持相对距离作对比，用来分别对速度和航向进行模糊控制。

小型双目摄像机2、嵌入在箱体外壳1正面的顶部，单片机控制器6、和电机及其驱动3、舵机及其驱动4以及蓄电池7均为小系统集成封装，被安置在箱体外壳1最底部；单片机控制器6会检测蓄电池7的电量。

本发明的有益效果在于：

作为智能行李箱的外界感知传感器，双目摄像机不仅具有识别能力和定位能力，视觉伺服反馈控制的本身也具有算法简单，抗干扰能力强等特点。由于检测的目标是主人腰间佩带的一个特征物体，在行走过程中不会因为晃动发生剧烈变化，大大减少了单片机识别的计算量，因此该系统兼顾了鲁棒性和实时性。这也使得行李箱能够更准确，更稳定的跟随主人移动，不但解放了人们的双手，也使人们无行李箱因为信号干扰失控的后顾之忧。该智能行李箱只需要配备普通的双目摄像头，单片机控制器以及电机舵机及其驱动即可，性价比较高，具有很大的市场前景。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的结构框图。

图3为本发明的系统工作图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

如图1所示，左右小型摄像机将获取的实时图像传输至单片机，单片机控制器根据其目标识别和跟踪算法，将位置信息变成控制量输入运动控制驱动，使电机和舵机按设计好的跟随控制算法运动。

它包括箱体外壳1、小型双目摄像机2、电机及其驱动3、舵机及其驱动4、滚动滑轮5、单片机控制器6。

本发明的工作原理为：

小型双目摄像机2、被嵌入安装在箱体外壳1、正面的顶部，与位于箱体外壳1、底部的单片机控制器6相连进行串口通信，为其提供主人的实时图像，单片机控制器6、又与位于箱体外壳1、底部的电机及其驱动3、和舵机及其驱动4、相连并进行串口通信，获取实时的移动控制指令。在跟随时，单片机控制器6、从获取的实时图像中识别出主人身上的携带的特征物品以后，由双目视觉定位原理计算其空间位置信息，并与给定参考的跟随保持相对位置作比较，构成视觉负反馈闭环控制系统，其控制对象为电机及其驱动3、和舵机及其驱动4、，根据相应控制指令，分别对速度和航向进行模糊控制，使滚动滑轮5、带动行李箱的箱体外壳1、精确地移动，转弯，从而完成跟随主人移动的任务。蓄电池7、为整个系统运转提供了电力能源。单片机会实时检测蓄电池电量，并在其电量不足时提示主人。

其系统工作框图如图所示：

如图所示，单片机控制器目标识别算法采用的是一种目标模版局部surf快速匹配识别算法。通过预先采集佩戴物品的图像并利用surf算法提取其关键点的特征向量，再分别对左右摄像机获取图像中的目标进行匹配，从而建立了双目目标之间的互匹配关系，排除了背景特征点的干扰，使得单片机控制器的只需要对目标进行surf匹配计算，实时性得到了明显的改善，而且腰间的佩戴物在行走时也不会发生剧烈的晃动，检测环境的稳定性也得到了保障。综上所述，该算法可以满足在复杂环境下行李箱的高可靠性定位和快速实时的跟随。

单片机控制器的跟踪算法采用了的是基于速度和航向的模糊控制，该算法根据识别到的目标相对行李箱的空间位置信息与给定跟随保持位置信息做比对，分别从主人与其身旁的行李箱距离以及两者之间前后的偏移距离作为模糊控制的判断依据。首先根据水平距离确定航向，即舵机角度，使主人与行李箱始终保持平行移动的跟随状态。然后再根据其前后偏移调整电机的转速，使主人与行李箱保持相对一致的前进后退速度，并根据之前确定的航向信息，在主人转弯时适当的调整左右轮的转速差，在主人身旁跟随其转弯移动。

整个单片机控制器与电机舵机驱动被集成封装在一起，安置在箱体外壳的底部，使箱体外壳内部的空间最大化，不影响传统行李箱原本的储物功能。

本发明的主要动作过程如下：

1、箱体外壳1、正面顶部的小型双目摄像机2、近距离获取主人侧面的图像(范围在1米之内)，并将图像信息实时传输给单片机控制器6、进行处理，单片机控制器6、利用目标模版局部surf快速匹配识别算法，提取主人身上佩戴的特征物体，将该物体锁定为目标，并对其进行测距定位。

2、获取的目标位置信息会在单片机控制器6、内部进行处理，它将与给定的参考跟随保持位置进行比对作差，进一步作为电机及其驱动3、，舵机及其驱动4、的输入，控制滚动滑轮5、转动，带动箱体外壳前进或是转弯，完成跟随主人的任务。

如图1所示，箱体外壳1、双目摄像机2、电机及其驱动3、舵机及其驱动4、滚动滑轮5、单片机控制器6、蓄电池7、。

行李箱箱体外壳1、正面顶部安装的小型双目摄像机2、正对其主人的侧面，并获取实时图像。在行李箱跟随主人移动之前，双目摄像机2、会提取并锁定主人腰间佩戴的特征物品，作为跟随目标。整个跟随过程行李箱始终在主人侧面移动，并实时地从图像中识别出该特征目标，通过双目测距对其进行实时定位。特征目标的相对位置信息，与给定的跟踪保持位置作对比，经单片机控制器6、算法处理后，作为电机及其驱动3、舵机及其驱动、的输入控制信号，使电机舵机根据一定的跟踪算法原则运行，驱使滚动滑轮5、带动箱体外壳1、作直线和转弯移动，来完成实时跟随任务。系统工作过程中单片机控制器6、会实时检测蓄电池7、的剩余电量，并在电量不足时提示。

本发明提供了一种基于双目视觉快速高鲁棒性识别、定位的自动跟随行李箱，该发明利用双目视觉作为行李箱感知外界获取主人位置信息的主要手段。其组成包括箱体外壳，小型双目摄像机，电机及其驱动，舵机及其驱动，单片机控制器，滚动滑轮、蓄电池。本发明的目的是使人们在携带行李箱出行的途中，无需手动拖动沉重的行李，而是由基于双目视觉伺服的行李箱识别主人腰间佩戴的特征物品，并对主人进行实时定位。依靠单片机控制电机和舵机，根据一定航向和速度的控制算法，使行李箱自主跟随主人移动。其内置有蓄电池为整个系统供电，也可以为个人携带的电子设备充电。单片机控制器会自动检测蓄电池电量，并在不足时提示主人需要充电。

整个行李箱的外形大小和重量参考民航运输规定中乘客自理的标准登机箱设计(也可以针对地面交通工具制定更大的尺寸和运载重量)。硬件控制系统采用小型化嵌入式设计，基本不占用行李箱的储物空间。综上所述，该发明为远途外出的人们，尤其是高端商务人士，提供了极大的便利与舒适性。