基于樹莓派的自動跟隨行李箱

文/陳茜茹 李志為

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的興起，新興技術(shù)群體的密集突破，制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為發(fā)展的趨勢，智能制造成為發(fā)展的新方向。傳統(tǒng)行業(yè)搭載“互聯(lián)網(wǎng)+”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“人工智能”等新技術(shù)，尋找新的經(jīng)濟增長點，是各個行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個新途徑。

傳統(tǒng)的旅行箱市場目前正處于產(chǎn)品智能升級的新階段。2016年，美國Bluesmart公司首次面向公眾推出了第一代智能旅行箱，擁有定位追蹤、手機操控等功能。隨后，多家科技型創(chuàng)業(yè)公司相繼推出了類似的產(chǎn)品，其中包括美國新秀麗、德國Rimowa等國際知名箱包大牌企業(yè)，引起了旅行箱產(chǎn)品設(shè)計上的一次革命。我國目前占有全球約71%的箱包制造量，但主要為大牌代工或中低端產(chǎn)品。在此行業(yè)背景下，本文設(shè)計了一種基于樹莓派的自動跟隨行李箱，以樹莓派為核心單元，結(jié)合移動Web開發(fā)技術(shù)和OpenCV圖像處理技術(shù)，通過采集識別人體攜帶的二維碼標(biāo)簽紙來匹配用戶，采用PID算法控制驅(qū)動電機實現(xiàn)行李箱自動跟隨用戶。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

自動跟隨行李箱系統(tǒng)主要由樹莓派核心板、手機、攝像頭、超聲波模塊、電機驅(qū)動電路、語音播放電路、電源模塊等共同組成，如圖1所示。樹莓派作為系統(tǒng)的主控單元對USB免驅(qū)攝像頭采集的二維碼標(biāo)簽紙圖像進行識別處理，通過電機驅(qū)動電路控制電機運動。超聲波模塊通過GPIO口與樹莓派連接，測量行李箱與目標(biāo)物體之間的距離，使得攝像頭能在最佳焦距內(nèi)完成對二維碼標(biāo)簽紙的識別。手機通過無線Wi-Fi熱點與樹莓派連接開啟或結(jié)束樹莓派工作。同時，語音播放電路在開機、關(guān)機、拍照等時刻播放語音提示。

圖1：系統(tǒng)組成框圖

圖2：電源模塊電路

圖3：電機驅(qū)動模塊電路

1.1 樹莓派平臺

樹莓派（Raspberry Pi，RPi）由“Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，是外形只有信用卡大小的微型計算機，相比于傳統(tǒng)計算機樹莓派只是缺少了顯示屏幕和鍵盤卻具有電腦的所有基本功能，運行基于Linux 的開源系統(tǒng)，被廣泛用于圖像，文字處理。樹莓派3代B型采用64位1.2GHz主頻的四核芯ARM V8處理器，有1GB的RAM，性能相對于一般的嵌入式系統(tǒng)都較為強大，USB端口可以方便地連接LINUX免驅(qū)攝像頭，具有獨立的40個GPIO引腳，可以對攝像頭采集到的圖像進行實時處理，同時輸出電機控制信號。基于樹莓派的上述特點，本系統(tǒng)將其作為自動跟隨行李箱的主控模塊。

1.2 電源模塊

圖4：下位機程序設(shè)計流程

本系統(tǒng)以12V，8AH小型蓄電池作為外接供電，而核心板中需要5V電壓，所以整體需要電壓轉(zhuǎn)換。另外，需要考慮到整個驅(qū)動板安全使用大電流驅(qū)動直流電機，保證不會因為電流過大而燒毀芯片，因而采用非線性元器件XL4005降壓芯片為模塊供電。XL4005工作頻率達(dá)300KHz，輸出紋波小，轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流高達(dá)5A，且不容易發(fā)熱，綜合性能高，成本低。電源模塊電路如圖2所示，電源12V經(jīng)電容C1和C3濾波由VIN輸入，輸出端SW由電感L1蓄流，電容C2和C4濾波，經(jīng)電阻R2（連接至反饋端FB）和R3阻值的適當(dāng)選取使輸出為5V。R2和R3的阻值由公式1決定：

為了確保輸出穩(wěn)定，R3選用標(biāo)稱阻值為2KΩ，精度為1%的電阻。

1.3 電機驅(qū)動模塊

圖5：二維碼圖像識別步驟

圖6：二維碼圖像預(yù)處理步驟

電機驅(qū)動芯片采用東芝公司生產(chǎn)的直流電機驅(qū)動器TB6612FNG，其內(nèi)部具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動兩個電機。TB6612FNG每個通道輸出最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動電流，啟動峰值電流達(dá)2A/3.2A(連續(xù)脈沖/單脈沖)；4種電機控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動/停止；PWM支持頻率高達(dá)100KHz；片內(nèi)低壓檢測電路與熱停機保護電路。電機驅(qū)動電路如圖3所示，采用可控制的高速光電耦合芯片TLP521-4將樹莓派的GPIO引腳與TB6612FNG的7個控制引腳完全隔離，以保護樹莓派的引腳安全，減少電路干擾。TB6612FNG的7個控制引腳如下：AIN1、AIN2、BIN1、BIN2腳為輸入控制電平，分別控制A路和B路兩個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等工作模式；PWMA、PWMB腳為PWM信號分別控制電機的加、減速；STBY控制電機處于正常工作或待機狀態(tài)。TB6612FNG內(nèi)部已經(jīng)包含大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，因此A路輸出引腳AO1和AO2可與電機1的兩個引腳直接相連，B路輸出引腳BO1和BO2可與電機2的兩個引腳直接相連。

1.4 語音播放電路

語音播放電路的作用是使行李箱系統(tǒng)能夠在開機、關(guān)機、拍照檢測二維碼標(biāo)簽紙以及遇到障礙等各個環(huán)節(jié)對用戶進行語音提示，告知系統(tǒng)狀態(tài)，以便下一步應(yīng)對處理。語音播報電路由XFS5051CE語音合成芯片和功放電路共同組成，利用TTS技術(shù)將收到的語音提示文本轉(zhuǎn)換為語音信號。XFS5051CE是高集成度語音合成芯片，能夠準(zhǔn)確、流暢地將文本合成語音，支持中英文發(fā)音，并且擁有多種播音風(fēng)格。樹莓派通過GPIO的UART接口與XFS5051實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 上位機軟件設(shè)計

行李箱系統(tǒng)需要采用手機端啟動程序以及下達(dá)各種操作指令。手機端軟件選用移動Web開發(fā)技術(shù)進行設(shè)計開發(fā)。相比傳統(tǒng)的Android 和IOS系統(tǒng)下的原生APP開發(fā)，移動Web 開發(fā)技術(shù)利用HTML5、CSS3等Web技術(shù)編程，代碼運行在瀏覽器中，屏蔽了不同平臺系統(tǒng)之間的差異，開發(fā)的APP能夠在多種平臺系統(tǒng)上運行，成本小時間快，并且用戶總能訪問到最新版本，無需手動更新需求。由于本系統(tǒng)在移動終端功能的操作不是特別復(fù)雜，因此，Web 服務(wù)器采用的是Python的一款輕量級框架Bottle編寫而成。

2.2 下位機軟件設(shè)計

樹莓派通常使用Linux作為操作系統(tǒng)，經(jīng)過實際測試各種發(fā)行版，本系統(tǒng)研究選擇Raspbian作為操作系統(tǒng)，相比其它發(fā)行版，Raspbian具有支持浮點單元、易用性以及內(nèi)存占用更小的優(yōu)勢。除此之外，Raspbian是樹莓派官方推薦的操作系統(tǒng)，兼容性好，資源豐富。軟件采用Python程序設(shè)計語言進行編寫。Python功能庫豐富，可移植性強，非常適合本次設(shè)計。樹莓派上提供了與Python綁定在一起的集成開發(fā)環(huán)境IDLE。

以樹莓派為核心平臺的自動跟隨行李箱的程序設(shè)計如圖4所示。樹莓派開機后首先初始化及開啟各種服務(wù)程序，然后等待上位機發(fā)送開啟用戶匹配指令，即需要行李箱和相應(yīng)用戶進行唯一匹配，然后再跟隨用戶移動。用戶匹配首先要啟動超聲波測距，判斷行李箱與用戶之間的距離是否在合適距離，如果太近，不利用攝像頭采集圖像；如果太遠(yuǎn)，失去用戶匹配的意義，一般在50cm～3m為適宜。當(dāng)行李箱與用戶之間距離適中則啟動攝像頭采集一幀圖像，并將圖像返回樹莓派進行圖像處理。識別是相應(yīng)用戶則驅(qū)動電機跟隨用戶移動，若不是則返回重新等待上位機開啟用戶匹配指令。

2.3 基于OpenCV和ZBar的二維碼識別

二維碼標(biāo)簽紙的識別過程用到兩個圖像處理的工具OpenCV和ZBar。OpenCV全稱是Open Source Computer Vision Library，是一種跨平臺的計算機視覺庫，基于BSD 許可（開源）可 在Linux，Windows，Android和Mac OS操作系統(tǒng)上運行。它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法，輕量且高效。ZBar是一個開源庫，用于掃描、讀取二維碼和條形碼。支持的二維碼包括：EAN/UPC，QR等。二維碼標(biāo)簽紙的識別首先采用攝像頭拍攝二維碼圖像，對圖像進行預(yù)處理后，將背景圖像去掉，二維碼部分定位截取出來，再經(jīng)過二維碼譯碼，將識別結(jié)果保存，其具體步驟如圖5所示。

二維碼識別圖像預(yù)處理首先對采集的RGB圖像進行灰度處理，消除顏色干擾，再通過中值濾波和高斯濾波去除圖像中可能包含的脈沖噪聲、顆粒噪聲、高斯噪聲等類型的噪聲，采用Canny算子進行邊緣檢測，最終通過二值化處理使圖像中數(shù)據(jù)量大為減少，從而能凸顯出目標(biāo)的輪廓，具體步驟如圖6所示。

3 實驗結(jié)果分析

自動跟隨行李箱最終實現(xiàn)的功能是能夠通過移動智能終端操作界面遠(yuǎn)程控制啟動行李箱和用戶唯一匹配，行李箱能夠自動跟隨用戶前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、調(diào)速。

實際測試時首先將樹莓派開機，用手機APP界面點擊啟動行李箱和用戶進行匹配，行李箱開始調(diào)整與用戶之間為最佳拍攝距離，證明通信系統(tǒng)和行李箱驅(qū)動均能夠正常工作；調(diào)整用戶在行李箱前方5米范圍內(nèi)的各個位置，測試證明樹莓派系統(tǒng)均能將行李箱調(diào)整至50cm～3m的最佳范圍；使用系統(tǒng)提前預(yù)置的唯一匹配用戶和多個不匹配用戶分別測試，樹莓派均能正確識別用戶，證明攝像頭能夠采集二維碼圖像并識別出匹配用戶，系統(tǒng)能夠正常工作；樹莓派與用戶成功匹配后，行李箱能夠跟隨用戶前進、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、加速跟隨等，證明電機驅(qū)動控制正常工作；在手機APP界面上點擊結(jié)束時，系統(tǒng)也能夠按照指令結(jié)束跟隨用戶；在操作開啟、結(jié)束、攝像頭拍照、匹配成功或不成功等各個時刻均有語音提示，證明語音電路和功放電路能夠正常工作。

4 結(jié)語

基于圖像識別的自動跟隨行李箱成功實現(xiàn)了所有預(yù)設(shè)功能，能夠通過手機APP界面遠(yuǎn)程控制行李箱匹配用戶、跟隨用戶。此方案將樹莓派、Wi-Fi技術(shù)和移動Web開發(fā)技術(shù)有效結(jié)合，擴展了智能行李箱的應(yīng)用，成本低、控制靈活可靠、傳輸時延較短。傳統(tǒng)行李箱搭載樹莓派智能平臺，使行李箱智能化、自動化，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的概念，方便了人們的生活，對于傳統(tǒng)行李箱行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有極大的意義。