本發(fā)明涉及自動化控制領域，特別涉及一種基于視覺傳感器智能自動跟隨的結(jié)構(gòu)。
背景技術：
目前人們出行很不方便，需手提或推行李箱，因此本申請人設計了可驅(qū)動的一代智能行李箱。一代智能行李箱上設有供人踩踏的踏板及驅(qū)動行走輪，人站在踩踏上手扶行李箱拉桿，可操控行李箱行走。但是一代智能行李箱存在以下缺點：不能自動跟隨，還需人工操控。
因此，本申請人申請了二代智能行李箱，二代智能行李箱主要采用基于手機藍牙基站的定位及導航，基本原理是利用RSSI即信號強度定位，獲取藍牙基站的距離信息，根據(jù)多個藍牙基站的距離信息就可以確定行李箱主人手機的位置。但是二代智能行李箱存在以下缺點：定位精度受到外界電磁頻率影響較大，在人流量大電磁輻射較強的室外場合可能會出現(xiàn)較大定位誤差，需要配合超聲波紅外等傳感器使用。
因此，有必要研發(fā)一種識別精度高、避障效果好的智能自動跟隨行李箱。
技術實現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能提高識別精度高和避障效果的基于視覺傳感器智能自動跟隨方法。
本發(fā)明還提供一種能提高識別精度高和避障效果的基于視覺傳感器智能自動跟隨系統(tǒng)。
本發(fā)明還提供一種能提高識別精度高和避障效果的基于視覺傳感器智能自動跟隨行李箱。
為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
基于視覺傳感器智能自動跟隨方法，通過主控制器實現(xiàn)，主控制器包括視覺定位模塊、避障模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動模塊和PID控制器，主控制器如下實現(xiàn)：
視覺定位模塊采集行李箱主人及行李箱的環(huán)境信息，經(jīng)分析獲取行李箱主人相對行李箱的位置信息并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
數(shù)據(jù)處理模塊收到位置信息后，建立以行李箱為原點的坐標系，通過人體識別算法識別出行李箱主人，并得到行李箱主人相對行李箱的坐標位置；
避障模塊獲取行李箱主人至行李箱周邊環(huán)境的避障信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)行李箱主人相對行李箱的坐標位置、避障信息規(guī)劃線路；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊分別驅(qū)動行李箱的左后輪電機和右后輪電機運轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給PID控制器，通過PID控制器使行李箱和行李箱主人之間的相對位置保持在設定范圍內(nèi)；
主控制器使行李箱與行李箱主人如下保持同步：
主控制器根據(jù)當前行李箱主人的步態(tài)、行走速度、行走方向和行走線路上的障礙物，預測行李箱主人下一步動作：行走速度、行走方向和行走線路；
主控制器根據(jù)行李箱主人相對行李箱的坐標位置、避障信息以及預測信息，規(guī)劃線路，并計算轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)整行李箱左前輪和右前輪的轉(zhuǎn)向角度，以及左后輪電機和右后輪電機的轉(zhuǎn)速。
所述主控制器還包括超聲波定位模塊、無線定位模塊和藍牙定位模塊中的一種或多種，超聲波定位模塊、無線定位模塊和藍牙定位模塊分別采集環(huán)境信息，經(jīng)分析獲取行李箱主人相對行李箱的位置信息，并發(fā)送至所述數(shù)據(jù)處理模塊。
所述避障模塊包括視覺避障模塊、超聲波避障模塊、紅外避障模塊和無線避障模塊中的一種或多種合；所述避障模塊還采集行李箱主人至行李箱周邊環(huán)境上人流的行走線路趨勢，并發(fā)送至所述數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)行李箱主人的坐標位置、行李箱的坐標位置、避障信息、人流的行走線路趨勢規(guī)劃線路。
所述主控制器還包括報警模塊，報警模塊包括手機報警模塊、箱子開關報警模塊和輪子報警模塊；若行李箱與行李箱主人之間超過設定距離，或者行李箱丟失，則進行如下報警：手機報警模塊向行李箱主人的手機發(fā)送報警信息；若行李箱開鎖或者打開，箱子開關報警模塊向行李箱主人的手機發(fā)送報警信息；輪子報警模塊使行李箱的輪子鎖死，無法旋轉(zhuǎn)。
基于視覺傳感器智能自動跟隨系統(tǒng)，該系統(tǒng)為如前所述方法采用的系統(tǒng)。
基于視覺傳感器智能自動跟隨行李箱，包括箱體、行走機構(gòu)、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和電源；行走機構(gòu)包括設置于箱體外表面上的左前輪、右前輪、左后輪和右后輪；驅(qū)動電機包括左后輪電機和右后輪電機；
還包括基于視覺傳感器智能自動跟隨系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控制器，主控制器包括視覺定位模塊、避障模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動模塊和PID控制器；
視覺定位模塊采集行李箱主人及行李箱的環(huán)境信息，經(jīng)分析獲取行李箱主人相對行李箱的位置信息并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
數(shù)據(jù)處理模塊收到位置信息后，建立以行李箱為原點的坐標系，通過人體識別算法識別出行李箱主人，并得到行李箱主人相對行李箱的坐標位置；
避障模塊獲取行李箱主人至行李箱周邊環(huán)境的避障信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)行李箱主人相對行李箱的坐標位置、避障信息規(guī)劃線路；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊分別驅(qū)動行李箱的左后輪電機和右后輪電機運轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給PID控制器，通過PID控制器使行李箱和行李箱主人之間的相對位置保持在設定范圍內(nèi)；
主控制器使行李箱與行李箱主人如下保持同步：
主控制器根據(jù)當前行李箱主人的步態(tài)、行走速度、行走方向和行走線路上的障礙物，預測行李箱主人下一步動作：行走速度、行走方向和行走線路；
主控制器根據(jù)行李箱主人相對行李箱的坐標位置、避障信息以及預測信息，規(guī)劃線路，并計算轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)整行李箱左前輪和右前輪的轉(zhuǎn)向角度，以及左后輪電機和右后輪電機的轉(zhuǎn)速；
電源向驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和所述系統(tǒng)提供電源。
采用上述方案后，本發(fā)明具有以下有益效果：可以直接利用視覺傳感器得到的深度信息來判斷障礙物的位置，然后使用人工勢場法來進行避障，而且識別精度高，避障效果好，不易受外部環(huán)境干擾。特別是結(jié)合超聲波避障模塊，還可進一步提高識別精度、避障效果。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的框圖。
具體實施方式
為了進一步解釋本發(fā)明的技術方案，下面通過具體實施例來對本發(fā)明進行詳細闡述。
實施例一
本實施例為具體應用到行李箱的一個示例。本實施例中，基于視覺傳感器智能自動跟隨行李箱，簡稱智能自動跟隨行李箱，其主要包括：箱體、行走機構(gòu)、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、電源和跟隨系統(tǒng)。這里的跟隨系統(tǒng)是基于視覺傳感器智能自動跟隨系統(tǒng)的簡稱。
行走機構(gòu)包括設置于箱體外表面上的多個輪子，多個輪子分別為左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。左前輪、右前輪、左后輪和右后輪可分別采用萬向輪，左后輪和右后輪為行李箱提供動力，左前輪、右前輪一方面減后輪驅(qū)動的承載壓力，一方面能使行李箱的轉(zhuǎn)向更為靈活。
驅(qū)動電機包括左后輪電機和右后輪電機。
電源向驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和跟隨系統(tǒng)提供電源。
跟隨系統(tǒng)主要包括主控制器，主控制器包括定位模塊、避障模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動模塊和PID控制器。
定位模塊可采用視覺定位模塊、超聲波定位模塊、無線定位模塊和藍牙定位模塊等中的一種定位模塊或多種定位模塊。定位模塊主要是確定行李箱主人相對行李箱的方位、距離、角度、高度、輪廓、外部特征等位置信息。其中，視覺定位模塊主要包括視覺傳感器和視覺數(shù)據(jù)處理模塊。無線定位模塊以能拆卸的方式設置。無線定位模塊包括行李箱主人攜帶的定位標簽，以及設置在行李箱上作為基站的傳感器。定位標簽和傳感器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，以確定行李箱主人相對行李箱的位置。
較佳地，定位模塊中以不易受環(huán)境干擾的定位模塊為主定位模塊，其他定位模塊為輔定位模塊?？梢砸曈X定位模塊為主定位模塊，其他的超聲波定位模塊、無線定位模塊和藍牙定位模塊為輔定位模塊。
較佳地，主控制器還包括報警模塊。報警模塊主要包括手機報警模塊、箱子開關報警模塊、輪子報警模塊。若行李箱丟失，手機報警模塊向行李箱主人的手機發(fā)送報警信息；行李箱一旦打開，箱子開關報警模塊向行李箱主人的手機發(fā)送報警信息；輪子報警模塊使行李箱的輪子鎖死，無法旋轉(zhuǎn)。其中本系統(tǒng)可包括手機報警模塊、箱子開關報警模塊、輪子報警模塊中的任一種報警模塊或兩種以上報警模塊。其中，行李箱主人的手機還可替換成任一電子終端，例如智能手表、智能手環(huán)、IPAD等。
如圖1所示，本實施例中，基于視覺傳感器智能自動跟隨方法主要如下實現(xiàn)：
視覺傳感器將采集到的行李箱主人及行李箱周邊的環(huán)境信息發(fā)送至視覺數(shù)據(jù)處理模塊。視覺數(shù)據(jù)處理模塊經(jīng)分析、處理后獲取行李箱主人相對行李箱的位置信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。
其中，環(huán)境信息包括障礙物、障礙物的位置、方位及距離等。行李箱主人周邊環(huán)境、行李箱周邊環(huán)境可以設定在一個合理的范圍內(nèi)。例如：周邊環(huán)境分別以行李箱主人、行李箱為圓心，半徑為1米、1.5米、2米或若干米的范圍，視覺傳感器獲取該范圍內(nèi)周邊環(huán)境信息。后面提及的規(guī)劃線路、避障線路的周邊環(huán)境也可如上設定。
較佳地，超聲波定位模塊、無線定位模塊也將各自采集的周邊環(huán)境信息經(jīng)分析獲取行李箱主人相對行李箱的位置信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。
數(shù)據(jù)處理模塊收到位置信息之后，建立以行李箱為原點的坐標系。數(shù)據(jù)處理模塊通過人體識別算法識別出行李箱主人，并得到行李箱主人相對行李箱的坐標位置。通過視覺定位模塊、超聲波定位模塊、無線定位模塊這些定位模塊可提高兩者之間相對位置的定位精度，降低、甚至減少周圍環(huán)境對定位的影響。
避障模塊主要獲取行李箱主人至行李箱周邊環(huán)境的避障信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。其中避障模塊可采用視覺避障模塊、超聲波避障模塊、紅外避障模塊、無線避障模塊等中的一種或多種方式的組合。紅外避障模塊主要包括紅外傳感器。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器、紅外接收器。其中，主動式紅外傳感器自帶紅外光源，通過對光源的遮擋、反射、折射等光學手段判別被探測物體位置。較佳地，選用反射型主動式紅外發(fā)射器、紅外接收器。
較佳地，避障模塊中以不易受環(huán)境干擾的避障模塊為主避障模塊，其他避障模塊為輔避障模塊?？梢砸曈X避障模塊為主避障模塊，其他的超聲波避障模塊、紅外避障模塊、無線避障模塊為輔避障模塊。
該周邊環(huán)境的避障信息包括：從行李箱主人至行李箱之間的線路上周邊環(huán)境的避障物、行李箱主人周邊環(huán)境上的避障物、行李箱周邊環(huán)境上的避障物。周邊環(huán)境可如前所述進行設定，例如，以行李箱主人至行李箱之間的連線上的每一點為圓心，1米為半徑設定為周邊環(huán)境的范圍。
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)行李箱主人相對行李箱的坐標位置、避障信息規(guī)劃線路。較佳地，避障模塊還采集行李箱主人至行李箱周邊環(huán)境上人流的行走線路趨勢，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊規(guī)劃線路時根據(jù)行李箱主人的坐標位置、行李箱的坐標位置、避障信息、人流的行走線路趨勢，規(guī)劃出一條最佳的安全線路。
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊分別驅(qū)動行李箱的左后輪電機和右后輪電機運轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送指令給PID控制器，通過PID控制器使行李箱和行李箱主人之間的相對位置保持在設定范圍內(nèi)。
其中，主控制器使行李箱與行李箱主人如下保持同步：
主控制器根據(jù)當前行李箱主人的步態(tài)、行走速度、行走方向和行走線路上的障礙物，預測行李箱主人下一步動作：行走速度、行走方向和行走線路。
主控制器根據(jù)預測信息，以及超聲波避障模塊獲取的避障信息，規(guī)劃行李箱的避障線路，并計算轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)整行李箱左前輪和右前輪的轉(zhuǎn)向角度，以及左后輪電機和右后輪電機的轉(zhuǎn)速。
較佳地，驅(qū)動模塊接受主控制的速度指令，并將左輪子和右輪子的速度信息反饋給主控制器；主控制器通過藍牙通信和行李箱主人手機實現(xiàn)通訊；通過行李箱主人手機上的App可控制行李箱運動，并監(jiān)測行李箱各模塊的運行狀態(tài)。
本發(fā)明的定位方法、跟隨方法、避障方法如下：
1、數(shù)據(jù)處理模塊接收視覺定位模塊、超聲波定位模塊、無線定位模塊、藍牙定位模塊、避障模塊的信息，以行李箱為坐標原點建立坐標系，并確定行李箱主人相對于行李箱的坐標位置。
2、數(shù)據(jù)處理模塊通過現(xiàn)有的算法確定周圍環(huán)境的障礙物相對行李箱的分布位置，即各障礙物的坐標位置。
較佳地，定位模塊和避障模塊的傳感器設置在行李箱的箱體的前后左右外表面上，傳感器的接收端、發(fā)射端還可設置成旋轉(zhuǎn)式，這樣可采集行李箱周邊360度的環(huán)境信息。
而且還可設置一個地面檢測模塊，地面檢測模塊采集規(guī)劃線路上的地面平坦情況并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊以較為平坦的路面優(yōu)先規(guī)劃線路。同時，在行李箱的底部設置各類由彈簧、橡膠等構(gòu)成的吸震機構(gòu)、減震機構(gòu)。若地面檢測模塊檢測到地面有凹凸、不平坦，則數(shù)據(jù)處理模塊向驅(qū)動模塊發(fā)出減速的指令，驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機減速，或者控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使李箱左前輪和右前輪轉(zhuǎn)向繞開凹凸、不平坦的地面。
3、數(shù)據(jù)處理模塊線路規(guī)劃模塊根據(jù)目標位置與周圍環(huán)境信息規(guī)劃一條無碰路徑，實現(xiàn)行李箱實時跟隨、避障。
4、行李箱可通過主控制器綁定行李箱主人的手機，并設定修改、增減手機號的權(quán)限。當行李箱主人與行李箱之間距離超過設定距離時，向行李箱主人的手機發(fā)出報警信息。
較佳地，行李箱的自主跟隨避障還可將跟隨模式設置成自動跟隨模式、手動跟隨模式。當設置成手動跟隨模式，行李箱主人可通過手機實現(xiàn)操控：在手機上安裝行李箱操控App、用戶端等，通過手在手機觸摸屏上的觸摸動作的方向、快慢可操控行李箱進、退、轉(zhuǎn)向、加減速。當然，也可手握手機，通過擺動手機的擺動方向、擺動快慢可操控行李箱進、退、轉(zhuǎn)向、加減速。
較佳地，若行李箱與行李箱主人之間的相對距離超過設定值、丟失，則進行如下報警：
1、李箱與行李箱主人之間的相對距離超過設定值，報警模塊向行李箱主人的手機發(fā)送報警信息，一類是短信、微信，一類是手機振動，通過多種方式提醒行李箱主人。
2、行李箱一旦開鎖、或開箱，箱子開關報警模塊向行李箱主人的手機以短信、微信、振動方式發(fā)送報警信息。
3、輪子報警模塊使行李箱的輪子鎖死，無法旋轉(zhuǎn)，這樣行李箱就無法在地面上拖行，增加他人強行拖走行李箱的難度。
較佳地，行李箱主人辦理登機、通關、托運，則可將跟隨模式對應設置成登機模式、通關模式、托運模式。
而且登機模式與行李箱主人的航班的起落、延機等情形相關聯(lián)，這樣當報警模塊接收到航班的起落、延機等信息，在航班起飛直至落地期間，報警模塊就會自動相應關閉，這樣報警模塊就不會在上述情形下發(fā)出誤報警信息。
通關模式與行李箱主人的通關、安檢情形相關聯(lián)，這樣當報警模塊接收到通關、安檢等信息，在此期間，報警模塊就會自動相應關閉，這樣報警模塊就不會在上述情形下發(fā)出誤報警信息。
托運模式與行李箱主人的托運情形相關聯(lián)，這樣當報警模塊接收到托運等信息，在此期間，報警模塊就會自動相應關閉，這樣報警模塊就不會在上述情形下發(fā)出誤報警信息。
較佳地，避障模塊檢測到進入登機、通關、托運等待區(qū)域內(nèi)，則向行李箱主人發(fā)送查詢信息，并根據(jù)行李箱主人的指令確定在跟隨模式、自動跟隨模式、手動跟隨模式、登機模式、通關模式、托運模式等各種模式之間進行自動或手動切換。
實施例二
本實施例中，視覺傳感器可采用深度視覺傳感器，作為行李箱的“眼睛”感知行李箱主人相對行李箱的位置。
視覺傳感器可采用華碩Xtion Pro Live，通過USB接口接到主控制器，主控制器得到Xtion Pro Live的數(shù)據(jù)之后通過人體識別算法識別出行李箱主人，并得到行李箱主人相對行李箱的位置。
得到行李箱主人相對行李箱的位置之后，主控制器發(fā)送指令給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊驅(qū)動左輪電機、右輪電機運轉(zhuǎn)，通過PID控制器使行李箱和行李箱主人之間的相對位置保持在一個合理的設定范圍內(nèi)。
主控制器使用USB 5V電壓供電，電池為24V-12000mAh鋰電池，通過電池管理系統(tǒng)自動檢測電池的電量，電量不足時自動報警。驅(qū)動模塊供電電壓為24V，通過can總線和主控制器通信，接受主控制器的速度指令并將左后輪子、右后輪的速度信息反饋給主控制器。主控制器通過藍牙通信實現(xiàn)和行李箱主人手機的通訊。較佳地，通過手機App控制行李箱運動，并監(jiān)測行李箱各模塊的運行狀態(tài)。
較佳地，通過多路超聲波模塊實現(xiàn)行李箱移動過程中的避障。在行李箱的前面、兩個側(cè)面分別設置多個超聲波傳感器，超聲波傳感器的輸出端連接超聲波避障模塊的輸入端，超聲波避障模塊的輸出端連接主控制器的對應輸入端。
實施例三
本發(fā)明可除了適用于行李箱外，還可適用于以下多種設備，例如：
1、基于視覺傳感器智能自動跟隨文具用品：基于視覺傳感器智能自動跟隨書包等。
2、基于視覺傳感器智能自動跟隨家居生活用品：嬰兒車、玩具、桌子、椅子、輪椅、購物車、機場行李車、寵物機器人、清掃機器人、護理機器人、服務機器人、箱包等。
3、基于視覺傳感器智能自動跟隨辦公用品：基于視覺傳感器智能自動跟隨運輸工具等。
4、基于視覺傳感器智能自動跟隨健身用品。
5、基于視覺傳感器智能自動跟隨家居辦公用品。
當本發(fā)明適用上述設備時，上述設備可相應地自動跟隨，具體情形與前述實施例類似，具體如下所述：
視覺定位模塊采集設備主人及設備的環(huán)境信息，經(jīng)分析獲取設備主人相對設備的相對位置信息并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。
數(shù)據(jù)處理模塊收到相對位置信息后，建立以設備為原點的坐標系，通過人體識別算法識別出設備主人，并得到設備主人相對設備的坐標位置。
避障模塊獲取設備主人至設備的周邊環(huán)境的避障信息，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。
數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設備主人相對設備的坐標位置、避障信息規(guī)劃線路。數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)規(guī)劃線路發(fā)送指令給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊分別驅(qū)動設備的一個或多個行走輪驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送指令給PID控制器，通過PID控制器使設備和設備主人之間的相對位置保持在設定范圍內(nèi)。
主控制器使設備與設備主人如下保持同步：
主控制器根據(jù)當前設備主人的步態(tài)、行走速度、行走方向和行走線路上的障礙物，預測設備主人下一步動作：行走速度、行走方向和行走線路。
主控制器根據(jù)預測信息以及避障信息，規(guī)劃設備的避障線路，并計算轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)整設備一個或多個行走輪的轉(zhuǎn)向角度，以及行走輪驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。
本實施例還可采用上述實施例中的具體結(jié)構(gòu)、測距方法、定位方法、避障方法、跟隨方法等，相同之處，在此不再贅述。
上述實施例和附圖并非限定本發(fā)明的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術領域的普通技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發(fā)明的專利范疇。