基于UWB定位和OpenMV識別的智能跟隨行李箱設計

葉思言 張永寧 李錦 張煉科 周玉 鄭美芳 張松

摘要：為解決人們日常出行時因行李過多過重而導致行進不方便的問題，提出基于UWB定位和OpenMV識別的智能跟隨行李箱設計方案。設計以STM32F429單片機作為控制核心，采用UWB定位模塊、OpenMV機器視覺模塊、無線通信模塊、超聲波避障模塊等做外設，通過OpenMV攝像頭拍攝圖像并結合機器視覺算法對圖片信息進行處理以此識別行李箱使用者，以PID算法調控行李箱的跟隨速度與滾輪的轉向助力，使用UWB定位技術實時監測行李箱的位置。樣機測試結果表明：系統能實現自動跟隨、實時定位與通信以及避障等功能，達到了“釋放雙手”的目的。

關鍵詞：自動跟隨;超寬帶技術;嵌入式圖像處理;智能行李箱

中圖分類號：TP249?文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）03-0029-05

Abstract：In order to solve the problem of the inconvenience caused by the excessive luggage during daily travel， the design scheme of intelligent following luggage based on UWB positioning and OpenMV recognition was proposed in this paper. It is designed with STM32F429 microcontroller as the control core， and the UWB positioning module， OpenMV machine vision module， wireless communication module， ultrasonic obstacle avoidance module， etc. are used as peripherals. The image is captured by the OpenMV camera and the machine vision algorithm is used to process the picture information to identify the luggage user. The PID algorithm is used to control the following speed of the luggage and the steering power of the roller. The UWB positioning technology is used to monitor the position of the luggage in real-time. The test results show that the system can realize the functions of automatic following， real-time positioning， communication， and obstacle avoidance， and achieves the purpose of “release hands”.

Keywords：automatic following;Ultra Wide Band（UWB）;OpenMV;intelligent luggage

行李箱是人們外出、遠行時不可或缺的拖載工具。過去，傳統拉桿式托運行李箱一直不斷強調其“持久耐用”的特性，在外觀設計方面也都大同小異，沒有特別突出的特性。在使用過程中，會因為長時間的拖拽導致手臂肌肉酸痛甚至可能拉傷肌肉，增加旅人的疲憊感，影響人們的出行質量。而現在，移動互聯的“智能”應用模式開始進入到旅行箱包領域，并對箱包發起了功能性變革。

本文基于OpenMV（嵌入式圖像處理）庫中的視覺算法與超帶寬（Ultra Wide Band，UWB）無線電定位技術[1]，完成智能跟隨行李箱的方案設計，使用OpenMV和UWB技術共同實現行李箱精準跟隨。使用超聲波測距感知周圍環境完成避障功能。同時利用自制手環顯示行李箱的方位、電量等數據。此方案實現了行李箱智能跟隨、避障和報警等功能，智能跟隨行李箱為人們的出行提供了極大的便利。

1?總體系統設計

1.1?總體設計結構

智能跟隨行李箱系統總體設計主要包括：行李箱箱體、硬件主控制板、直流步進電機驅動模組、供電模組、手環、UWB定位系統、OpenMV識別模塊。總體結構如圖1所示。

1.2?電路原理框圖

本設計以STM32F429為控制中心，OpenMV模塊通過I2C總線協議進行相關信息的獲取與傳輸，UWB定位模塊與無線通信模塊分別通過2個串口進行通信，通過GPIO口（PA14、PB5、PB0、PB1）分別作為4個超聲波的接收信號控制引腳，通過GPIO口（PA3、PA5）輸出PWM信號控制電機驅動模塊。整個電路采用12 V鋰電池組供電，再通過穩壓電路轉換為5 V、3.3 V分別為單片機和定位系統供電。智能跟隨行李箱系統電路原理框圖如圖2所示。

2?系統設計

2.1?主控板選型

本設計以STM32F429為主控芯片，STM32F103為輔助控制芯片[2]。主控芯片與輔助芯片之間通過WIFI通信。STM32F429主要控制行李箱箱體上所有設備，實現基站與各種設備的通信、OpenMV攝像頭對用戶的圖像信息識別處理、電機控制滾輪轉動、人機之間無線通信以及超聲波檢測避障等。STM32F103負責接收UWB發送的信息，判斷用戶與智能行李箱之間的距離，當距離超過設定值時，向手環端發送報警提醒。

2.2?UWB定位系統設計

UWB定位系統由3個部分構成：電池供電的UWB定位標簽、UWB基站（包含信號發射源和信號回收傳感器）以及信號處理軟、硬件平臺，其原理如圖3所示。多組基站對同一標簽測距后，將所測數據上傳到主控制板確定位置。設計中信號發射源和回收傳感器集成一體，模塊內置STM32微處理器，控制中心可以通過串口命令進行UWB參數設置、信號的發送和接收，并通過三角定位方式計算出基站與標簽之間的距離。

到達時間（Time of Arrival，TOA）、到達時間差（Time Difference of Arrival）、到達角度（Angle of Arrival，AOA）定位技術是UWB定位算法中比較成熟的幾種定位算法。本設計采用TOA定位技術，TOA定位技術通過分別測量移動終端與3個或更多基站之間信號的傳播時間來定位[4]。

如圖4所示，設行李箱的中心位置為坐標原點（0，0，0），在行李箱的兩側及對側中間分別安裝3個UWB基站，其坐標分別記為A（Xa，Ya，Za），B（Xb，Yb，Zb），C（Xc，Yc，Zc）。對象標簽為用戶所戴手環如圖4中的紅點，其位置為（X，Y，Z），為方便計算，設定基站AB與AC之間形成的夾角為90°，測量得到A、B、C基站與對象標簽之間的電波傳播時間分別ta，tb，tc，可得方程組：

2.3?機器視覺處理模塊設計

OpenMV通過高級語言Python腳本控制OpenMV以及I/O口引腳。本設計采用OpenMV4系列，基于STM32H743VI ARM Cortex M7處理器為核心集Ov7725感光元件、USB（12 Mb/s）接口、SD卡槽、電池接口、模數變換器和數模轉換器等組件于一體的機器視覺模塊[5]。模塊共有10個I/O引腳，其中3個I/O引腳用于舵機控制。

基于OpenMV的跟隨行李箱，要求實時識別用戶的狀態，就需要快速處理獲取的圖像信息，模塊的SPI總線速度高達54 Mb/s，同時具有I2C總線，CAN總線和異步串口總線，用來連接其他控制器或者傳感器，其接口可以疊加。OpenMV4顏色識別每秒可達85幀到90幀左右，像素最高可達到30萬。它集成了很多圖像處理的算法，能實現顏色追蹤、標記跟蹤、人臉檢測、眼動跟蹤等功能[6]。本設計主要使用基于OpenMV庫中的圖像、光源識別算法，識別用戶身后的特定圖形、顏色、光源信號，如圖5所示。將獲取的圖像數據傳輸到主控系統進行處理，從而實現自動跟隨的功能。

2.4?電機驅動模塊設計

TB6612FNG是雙供電H橋電機驅動芯片，可以同時驅動兩個電機，每通道輸出最高1 A的連續驅動電流，啟動峰值電流高達3.2 A，輸出電流閾值為2 A。PWM支持頻率高達100 kHz[7]。此外TB6612FNG驅動模塊系統尺寸小，外圍電路簡單且無需外加散熱。

芯片引腳VM口是直接給電機供12 V工作電壓的供電口，VCC口給芯片內部邏輯器件供5V電壓，AINI/AIN2、BINI/BIN2以及PWMA/PWMB引腳為控制信號輸入端，AO1/AO2、BO1/BO2為2路電機控制輸入端。將AO1/AO2、BO1/BO2分別與編碼電機引腳相連，通過軟件程序對AINI/AIN2、BINI/BIN2以及PWMA/PWMB等控制信號進行控制模式配置以及占空比設置，從而實現跟隨行李箱的運動狀態。電機控制模式邏輯表如表1所示。

2.5?無線通信模塊設計

在行李箱自動跟隨過程中，手環要實時顯示跟隨行李箱與用戶的距離、當跟隨行李箱與用戶距離超過設定的安全值時，手環端會收到報警信息，這類與主控器非連接狀態的設備要將信息發送給主控器或者由主控器向這類設備發送命令時，就需要用到無線通信模塊。本設計使用ESP8266 WIFI模塊，該模塊體積小，功耗低，使用3.3 V的直流電源供電，共有2組串口。ESP8266與主控（STM32）的管腳連接方式如表2所示。

2.6?避障模塊設計

跟隨行李箱在獨立行進途中避免不了的功能就是自動避障，本設計采用超聲波模塊實現避障功能。當行李箱行進途中遇到障礙物，聲波會進行反射，利用聲波發射與接收之間的時間差，聯立方程組即可解出行李箱與障礙物的實際距離。雖然超聲波的感應速度和精度稍遜色于紅外光，遠距離測距處于劣勢，但本設計中跟隨行李箱只要求近距離避障功能的實現即可。相比而言，超聲波避障的性價比更高。本設計在跟隨行李箱箱體前面板的上下方位以及兩側面板的中間位置分別固定4個超聲波進行全方位障礙檢測，實現避障功能。

2.7?系統流程圖

各器件功能實現的軟件設計程序框圖如圖6所示。

3?樣機及測試結果

根據設計要求，UWB位置放置呈三角狀分別安裝在行李箱兩側及中間，OpenMV由于視角要求則安裝于手拉桿頂部，電機驅動動力輪安裝于行李箱底部，外圍實物圖連接如圖7所示。行李箱主控板如圖8所示。用戶手環電路如圖9所示。

針對目標跟隨進行功能測試，在跟隨過程中，當行李箱與用戶之間的距離<50 cm，行李箱自動減速等待在原地，當距離>50 cm，行李箱跟隨速度隨之增加，直到與用戶之間距離保持在50 cm以內。當行李箱與用戶距離超過3 m時，則立即進行報警。

針對避障功能進行測試，當行李箱檢測到前進的方向有靜止障礙物時，向左、向右轉動，避開障礙物，且再次檢測是否還存在障礙物，如果有則再次避障。在此期間，攝像頭實時捕捉用戶圖像，避障完成后立即跟隨用戶前進。

通過WiFi無線通信能將智能跟隨行李箱與用戶的距離實時顯示在用戶手環的OLED界面上，當檢測到行李箱與用戶距離超過3 m時，手環端能接收到報警提示信息。

4?結束語

智能跟隨行李箱可以實現UWB定位、OpenMV圖像識別與處理、行李箱自動跟隨、實時全方位避障、數據無線傳輸和智能跟隨行李箱防盜報警等功能，達到預期設計目標。

參考文獻：

[1]何世彪，孫寶剛，張力.一種提高無線電測距定位精度的有效方法[J].通信技術，2019，52（2）：304-310.

[2]李傳明，崔更申，尹鵬，等.基于STM32F4的電機控制系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（10）：3370-3372，3376.

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[5]趙舉，李國斌，姜濤，等.基于OpenMV的單目視覺二維碼追蹤小車設計與測試[J].電子設計工程，2019，27（19）：53-58.

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[7]XU Y， LIU M， LONG L.?The algorithmic design of the line-tracking car based on the positional PID[C]//?Proceedings of the 2nd International Conference on Mechatronics Engineering and Information Technology （ICME IT2017），2017.?https：//www.atlantis-press.?com/proceedings/icmeit-17/25876667.