一种基于ACF聚合通道特征的目标跟踪系统的制作方法

本发明涉及自行带路的智能运输装置，具体为一种基于acf聚合通道特征的目标跟踪系统。

背景技术：

近些年随着人工智能的大热，关于智能产品的发展可谓如日中天。在生活中我们发现如下一些问题：人在出差或者旅行，辗转在机场、车站等地，总需要用行李箱来装一些必需品，而这些沉重的行李箱对使用者也是个不小的负担；人在去商场超市购物的时候，往往会较多东西，使用人力推动购物车，甚至在商场只能自己拎着；在仓库场景中，繁重货物的搬运转移具有一定的局限性和不便性；对于一些更特殊的特殊群体，比如盲人群体，在出行时由于看不见路况，有很大的安全隐患。

利用有关知识，用一个可以时时跟着你而不会走丢甚至是设定目的地自行带路的智能运输装置，经分析后，我们觉得装置应具有的功能如下：可以一直识别并跟踪持有人，具有躲避障碍物并且计算最佳路径的能力，当与持有人距离较远时会自动发出警报，当走丢时可以发送位置给持有人。

在网上等地方可以了解的是当前关于此类产品的研究也是才刚刚开始，国外有一家公司cowarobot设计的一款r1跟踪行李包就具有此种功能，以及以色列灵性机器人公司研发出一种智能行李箱，它可以通过蓝牙与主人智能手机上的应用程序相连，现在尚处于雏形阶段，但是这只是在科技展上展出的概念版，具体的产品并没有量产，而且，最关键的是现在市面上出现的此类跟随装置都是无线射频类，通过使用者佩戴射频装置来指引装置。在2011年中南民族大学的李圆双的一篇硕士论文《基于机器视觉的智能车跟踪系统研究与实现》中就有谈及跟踪型运输装置的研究与发展。

技术实现要素：

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于acf聚合通道特征的目标跟踪系统，解决了人从繁重的商场超市商品的拎挎、行李箱的拖动、仓库货物自动搬运乃至是盲人出行极其不便的问题，能够实时根据目标的行动来智能跟进，具有距离感应报警功能。项目将acf目标检测算法和无线射频模块相结合，与现在所出现的单方面无线射频类的概念产品相比，一方面不需要使用人佩戴多余产品，一方面两者结合能够更好的对目标进行识别和追，智能运输装置上设有电源开关，当打开后装置开始工作，同时我们可以通过手机上的app来设置智能运输装置处于自动跟随还是待机状态，当设置为自动跟随时，使用者在走动的过程中，装置便处于跟随状态。

（二）技术方案

为实现上述适应于自行带路的智能运输装置，具体为一种基于acf聚合通道特征的目标跟踪系统，本发明提供如下技术方案：单片机收到指令后便会驱动电机模块开始行走，与此同时可旋转的超声波避障模块也开始工作，当遇到障碍物时便会反馈信息回到单片机，单片机便开始驱动舵机模块来控制装置移动方向变化来达到避障的目的。

在这里我们通过摄像头模块用计算机视觉里面afc算法来识别目标的方向。在这里的摄像头是可以转动的，通过这种可以转动的摄像头来保证目标一直处于视野之内。并且用比例控制程序来实现最优路径的选择，我们会设置一个最佳跟随距离比如20cm，当跟随装置与使用者之间的距离超过这个距离时便会跟随以保持这个距离不变，这里距离的探测我们用的是红外传感器来测量距离。

这里有一个最大的问题就是如何区分跟随者和障碍物。我们将红外传感器的探测方向总是与摄像头的方向保持一致，这样就可以保证测量的距离即为使用者与装置之间的距离。解决使用者被遮挡的情况，在使用者被遮挡时，失去目标。在这里我们可以实现一个模糊算法，通过设定程序我们可以让装置在失去目标的情况下仍然可以按照特定方向行驶一段时间，与此同时，可以转动的摄像头自主转动来寻找目标，在仍然寻找不到目标的话便会停止行驶，原地发出警报。通过上述的设计思路便可实现装置的智能跟随。

除此之外，我们还打算开发app的更多功能。当走丢时，使用者可以通过手机app来定位找到装置的具体位置，这里我们需要给装置安装一个gps模块。那么对于如何实现app来控制装置呢，我们可以在装置上安装一个wifi模块来实现通信。不止如此，我们还可以通过app来实时监测装置的电量使用情况，行驶路径。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于acf聚合通道特征的目标跟踪系统，具备以下有益效果：

1.系统功能完善化后可以将人从繁重的商场超市商品的拎挎、行李箱的拖动、仓库货物自动搬运乃至是盲人出行极其不便中解放出来。

2.具有较高实时性，能够实时根据目标的行动来智能跟进。

3.具有距离感应报警功能。

4.项目将acf目标检测算法和无线射频模块相结合，与现在所出现的单方面无线射频类的概念产品相比，一方面不需要使用人佩戴多余产品，一方面两者结合能够更好的对目标进行识别和追踪。

5.项目契合当前大热的计算机视觉和人工智能，能够对现有技术进行整合和利用开发。

6.项目和移动终端、用户有很好的交互性，项目的数据信息实时上传到总端，和用户可以通过app对产品位置、车速、报障、剩余电量等详细信息了解。

7．该项目可移植性、模块性高，设计出的成品可以独立的实现移动载具功能，也可以作为一个模块与其他市场现有的产品进行有机结合，例如与家教机器人结合，大大增强家教机器人的灵活性和保护性。

8．该项目衍生价值极多，在与市场现有的产品结合后，就能够具有智能追随功能，形成新的衍生产品，带来价值。

附图说明

图1为系统总框架设计图；

图2为电机驱动模块；

图3为舵机驱动模块；

图4为测速模块；

图5为摇头避障、测距模块；

图6为报警模块；

图7为无线通信模块；

图8为比例控制框图；

图9为定向程序流程图；

图10为总模块综合流程图；

图11为app预设定的用户界面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种基于acf聚合通道特征的目标跟踪系统，由系统总框架设计图可知，系统由dsp处理器、红外感应器、超声波测距传感器、无线通信系统、摄像头和电动机、信息接收和处理系统组成。由于系统属于实时跟踪类，所以在信息的及时性和准确性方面要求很高。

进一步的，请参阅图2-7，运输装置功能模块：

1.电机驱动模块:电机驱动模块是单片机用来控制电机的驱动电路，在这里我们选择直流电机的双向驱动电路模块实现控制运输装置的稳步前进和后退。

2.舵机驱动模块:舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。可以通过单片机的pwm波信号给定转角角度信息，用来控制运输装置的左右转向，并且能够在指定的角度保持不变。

3.测速模块:为了使得运输装置能够平稳地沿着道路行驶，除控制前轮转向舵机以外，还需要控制好各种路况的车速，使得运输装置在急转弯和下坡时不会因速度过快而翻车。因此，利用霍尔传感器检测运输装置瞬时速度，实现对运输装置速度的闭环反馈控制，运输装置的控制板能够根据路况变化而相应执行软件给定的加速、减速、刹车等指令，在最短的时间内由当前速度转变为期望的速度，使得运输装置快速平稳行驶。

4.摇头避障、测距模块：选用e18-d80nk型红外传感器。红外具有一对红外发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接受这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返到主机，装置既可以利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。同样利用此原理，也可以用来测量装置和使用者之间的距离。

5.报警模块：由探测器、传输通道和报警控制器三部分构成。报警探测器一是探测与穿戴射频设备的用户或者直接是识别成功后的用户的距离是否大于安全距离，二是探测入侵者入侵行为，由电子和机械部件组成。传感器则可与前面的超声波测距模块相合。

6.无线通信模块：装置在运行的过程中，需要与持有者通信，完成信息的交换共享，通过分析这些信息完成装置的追踪实验。所以，在设计装置时，需要加入无线通信模块。现在有很多的短距离无线通信技术，例如蓝牙、wifi、zigbee、无线usb等。与手机等智能终端进行交互时，需要用到蜂窝类模组。

进一步的，参阅图8，最优路径程序实现：比例控制程序，当一个机器人被设计用来自动维持某一数值，如距离、压力等，它一般都包含一个控制系统。在本设计中该系统由传感器和电机组成，可以通过处理器编程对传感器的输入做出决定，从而控制输出。对运输装置采用闭环控制中最常用的比例控制算法来维持其与目标物体之间的距离，以上控制环路将不断调整电机转速使实测距离趋近目标距离，对左右电机用同样的控制环路分别控制，将使运输装置能跟随目标物转弯、旋转，提高系统可靠性。

进一步的，定向程序参阅图9，首先是目标锁定：

利用opencv对摄像头获取的图像进行模糊去噪，移动图像失真修复等预处理，由于运输装置是在人移动后再进行的跟随，于是当前处理可近似看作背景不变下人物的移动。用acf算法对行人目标图像进行训练，获取训练后的模型，将前面处理好的当前场景图像输入模型，获取当前场景里的行人目标，再利用使用者的特征对检测到的目标进行匹配，获取使用者目标的图像坐标。将其图像坐标与现实方位相对应，来获取使用者相对于运输装置的方向。

其次是目标方向：

利用opencv根据我们摄像头在运输装置上的安装位置，对获取的图像进行透视变换，变换参数由实验测量给定。根据上一帧和当前帧中锁定目标的位置获得图片上的像素距离，根据透视变换获取两帧的目标之间的真实距离，同时还能获取方向信息，对获取的距离除以摄像头的拍摄帧速，我们可以获取现实中人相对于运输装置的速度。

进一步的，请参阅图10为总模块综合流程图。

进一步的，请参阅图11，app交互，通过运输装置上的esp8266无线wifi模块，安置一个小型路由器模块在运输装置上，在装置周围一定范围具有wifi覆盖，然后将手机连接到路由器ip地址，利用相关网络平台可以自动生成无线控制代码，对其发送指令，路由器接收移动终端指令后对单片机串口发送数据指令，实现控制。然后用java(android)做出能够进行简单控制和运输装置实时信息显示的交互界面和实现逻辑协议数据使用标准规范。我们希望可以通过手机等移动端可以实时监测运输装置的速度，在地图上的位置和电池电量等情况，可以利用手机端的app控制运输装置待机和运行状态。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。