於國旺， 袁新梅， 章潤秋， 蘇 晗， 彭文凱

（長江大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北荊州 434000）

0 引言

在整個行李箱的智能設(shè)計上， 為了提高行李箱的智能化程度， 結(jié)合了很多電子智能化模塊。 諸如指紋總控模塊，藍(lán)牙連接模塊，雙目攝像頭，超聲波測距模塊，24V驅(qū)動電機等。 主控運動芯片采用STM32F103ZET6 芯片為控制內(nèi)核， 該芯片配有高性能的armCortex-M3 32 位RISC 核心。 其通過I/O 引腳及控制電路，與各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并控制各模塊協(xié)同工作。 以達(dá)到智能啟停，自動跟隨等功能。 控制系統(tǒng)流程為當(dāng)主控器接收到開啟指令后， 控制ATK-OV7725 攝像頭從外界獲取圖像流，錄入并追蹤目標(biāo)使用者；HY-SRF05 超聲波模塊對外界環(huán)境進(jìn)行探測，對障礙做出規(guī)避反應(yīng)[1]。

在行李箱的結(jié)構(gòu)上為了提高其實用性， 也做了一些改變設(shè)計。 為了提升行李箱的收納和分類效率， 對其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)化分區(qū)，在箱體內(nèi)部設(shè)置多層開合疊板，便于細(xì)小物品分類擺放；為了使行李箱應(yīng)對更多場合，利用滑軌使箱體大小隨需求靈活伸縮變換； 為緩解行李箱上下樓費力的情況，在箱體底側(cè)加入兩條耐磨導(dǎo)軌，且導(dǎo)軌上設(shè)置有機械防逆塊。 可以達(dá)到行李箱在上樓梯時借助導(dǎo)軌在樓梯上拖行， 并借助防逆塊防止箱體下滑出現(xiàn)事故，下樓時收起防逆塊，拖行箱體下滑。 借助這一裝置，很大程度上解決了行李箱在上下樓時的不便； 最后從人機工程學(xué)的角度分析，在拉桿上也做了一項改變，將傳統(tǒng)的伸縮式拉桿設(shè)計成了翻轉(zhuǎn)式拉桿， 使原來只有一個自由度的拉桿變成了三個自由度，使用起來更靈活，同時拉桿聯(lián)結(jié)在導(dǎo)軌上，強度也比傳統(tǒng)箱體更好。

1 創(chuàng)新功能介紹

1.1 雙目攝像頭智能跟隨

雙目測距基本原理[5]，見圖1，P是待測目標(biāo)物，OR與OT為兩個攝像頭點的計算感應(yīng)器，目標(biāo)物P 在兩個攝像頭上的成像點分別為P 和P’（相機的成像平面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后放在了鏡頭前方），攝像頭固有參數(shù)已知，相機焦距為f，相機中心距為B，所要求得的目標(biāo)深度信息為Z，設(shè)點P 到點P’之間的距離為s，

圖1 雙目測距原理圖

則：

在計算中， 攝像頭焦距和攝像頭的中心距B 可由產(chǎn)品參數(shù)得知，所以在計算時，只需要了解到了XR-XT（即視差d）的距離差就可求得目標(biāo)物的深度信息Z。

在設(shè)計算法時， 考慮到雙目攝像頭測距的具體流程分為4 個步驟：相機的標(biāo)定、雙目攝像頭的校正、雙目校核配對、合成算法輸出。

（1）相機的標(biāo)定：攝像頭受本身固有結(jié)構(gòu)影響，由光學(xué)透鏡的折射會使得成像存在著縱向扭曲， 可由3 個參數(shù)k1，k2，k3來進(jìn)行確定；同時由于產(chǎn)品安裝生產(chǎn)方面的誤差，傳感器與鏡頭之間也不是絕對的平行，因此會導(dǎo)致目標(biāo)物在傳感器上的成像存在橫向扭曲，可由兩個參數(shù)p1，p2確定。 對單個攝像頭的定標(biāo)目的主要是計算出攝像頭的內(nèi)參（焦距f 和成像原點cx，cy、五個畸變參數(shù)。 而雙目攝像頭定標(biāo)不僅要得出每個攝像頭的內(nèi)部參數(shù)， 還需要通過標(biāo)定來測量兩個攝像頭之間的相對位置 （即右攝像頭相對于左攝像頭的旋轉(zhuǎn)矩陣R、平移向量t）以便于在算法階段減少系統(tǒng)帶來的誤差。

（2）雙目攝像頭的校正：雙目校正是根據(jù)攝像頭定標(biāo)后獲得的單目內(nèi)參數(shù)據(jù)（焦距、成像原點、扭曲畸變系數(shù)）和雙目相對位置距離（旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量），分別對左右視圖進(jìn)行消除扭曲和行對準(zhǔn)， 使得左右視圖的成像原點坐標(biāo)一致、兩攝像頭光軸平行、左右成像平面共面、對極線行對齊。 這樣一幅圖像上任意一點與其在另一幅圖像上的對應(yīng)點就必然具有相同的行號， 只需在該行進(jìn)行一維搜索即可匹配到對應(yīng)點。

（3）雙目校核配對：雙目配對的目的是把同一情景在左右視圖上對應(yīng)的像點銜接匹配起來， 目的是為了得到視差圖。得到多組視差數(shù)據(jù)后，通過上述原理中的計算公式就能計算出深度信息。 圖2 中可以得出：

圖2 視覺深度對比圖

結(jié)論一：深度變化（EG×EF/（AB+CD）或者H 到EF 的距離）， 會導(dǎo)致AB，CD 和AB+CD 的變化。當(dāng)深度變大時，AB+CD 逐漸變小。

從公式：AC=EF-AB-DC

結(jié)論二：當(dāng)深度不變， 那么我們的AB+CD 也不會改變， 可以看出，深度和單獨的AB 與CD 沒有直接關(guān)系，而只與兩者的和有關(guān)。

AB+CD 與同一距離的視差是想等的。

AB+DC=XR-XT

此處AB、DC 用向量相加 （AB+DC=（Bx-Ax）+（Cx-Dx）， 其中，Bx 為左圖像的中點x，Dx 為右圖像的中點x，Ax，Cx 為兩幅圖同一特征點的x 坐標(biāo)。

XR-XT=XRx-XTx（XRx與XTx分別是兩幅圖同一特征點的x 坐標(biāo)）

1.2 內(nèi)部空間設(shè)計總結(jié)

在行李箱中加上菱形結(jié)構(gòu)的多層疊板，見圖4，充分的展現(xiàn)了內(nèi)部多層疊板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢以及其實用功效。 在該設(shè)計中，我們善于留意生活中的其它結(jié)構(gòu)，巧妙的運用一種發(fā)散思維，創(chuàng)新性的運用到行李箱中。 利用同類物品化妝盒收納的共性，結(jié)合它的設(shè)計理念應(yīng)用到行李箱上，并且參考整個機構(gòu)的工作原理， 考慮實際可行性與意義，給行李分類提供了一個新的創(chuàng)新方向。 這種可折疊收納箱極大地減少了我們尋找物品的時間， 可以有效的使我們對行李分類-收納更為高效，使用起來也更節(jié)約行李箱空間。

圖4 箱體內(nèi)部空間展開圖

1.3 空間伸展結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

空間伸展結(jié)構(gòu)的設(shè)計是為了解決行李箱箱體容積固定， 占體積大的缺點， 生活中中出行有時需要帶大量的行李，但手上行李箱容積太小，因此甚至?xí)虼硕鄮讉€行李箱。亦或是行李箱的容積過大，雖然容量大但是使用時過于笨重且用不了那么容積，甚至帶來登機、轉(zhuǎn)運時的不便。 針對行李箱的這些問題， 我們采取了一種可伸縮的結(jié)構(gòu)來改善這種狀況。 箱體伸開圖和收縮圖分別見圖5，圖6。

圖5 箱體拉伸狀態(tài)圖

圖6 箱體收縮狀態(tài)圖

該原理借鑒類似抽屜的結(jié)構(gòu)，可以自由收縮和拉出，在伸縮的固定上又借鑒了皮帶的齒條-卡扣結(jié)構(gòu)。根據(jù)上圖我們可以見到。 在箱體側(cè)面置有四根滑動導(dǎo)軌與箱體相固連，四條導(dǎo)軌均布有限位功能，防止箱體在滑動過程中脫軌，滑軌的固定采用齒條-卡扣進(jìn)行鎖死，使用時按下卡扣，調(diào)節(jié)箱體容積，裝好行李后直接稍微下壓上箱體，即可實現(xiàn)物品較為緊實的放置在箱體內(nèi)。在上箱體的嵌入式結(jié)構(gòu)里有控制運動定位的卡扣結(jié)構(gòu)，同時在下箱體的嵌入式結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁里有齒條結(jié)構(gòu)， 箱體內(nèi)部布置有對稱兩組，以便使其受力均勻，容積調(diào)整時更為準(zhǔn)確可靠。

1.4 上下樓輔助裝置結(jié)構(gòu)概述

上下樓梯輔助結(jié)構(gòu)由兩條固定在箱體背側(cè)的金屬條導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌作上下樓梯的“履帶”。 使用時，拖動箱體拉桿， 使箱體背側(cè)導(dǎo)軌與樓梯接觸， 可達(dá)到一種借力效果。兩根導(dǎo)軌上均勻布有多組制動“防逆塊”，可防止拉桿脫手，行李箱從樓梯上墜落發(fā)生事故，同時也可做上樓時休息的“剎車”裝置?？紤]到使用時工作條件較為惡劣，磨損較高，設(shè)計該導(dǎo)軌材料選用硬鋁合金Lc4，一體鑄造而成。 輔助裝置模型見圖7。

圖7 箱體上下樓梯模擬圖

結(jié)構(gòu)上具體設(shè)計為，在箱體背側(cè)均布四根金屬導(dǎo)軌。 四條導(dǎo)軌上布有多組活動“防逆塊”，“防逆塊”與導(dǎo)軌用鉸鏈連接，自由活動角度為0～50°，“防逆塊” 之間用連桿銜接，可通過轉(zhuǎn)動磁鐵聯(lián)動控制，收起時，轉(zhuǎn)動位于滑軌最上端的磁鐵控制開關(guān)，收起“防逆塊”，使其緊緊貼合在導(dǎo)軌里面，見圖8。 這樣在下樓時可借助樓梯， 使用拉桿拖動達(dá)到下樓借力目的。當(dāng)關(guān)閉磁鐵開關(guān)，放下“防逆塊” 時，“防逆塊”在重力作用下自由下垂，上樓時遇到樓梯阻礙會收起，下樓時自然下垂的“防逆塊” 可作為制動裝置防止出現(xiàn)事故。 通過磁鐵開關(guān)控制“防逆塊”的活動，可以實現(xiàn)箱體單向運動。能保證在上下樓的使用時箱體受控制。

圖8 上下樓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

同時， 這種外置導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)， 既不占用箱體內(nèi)部空間，也可以在很大程度上增強了箱體整體的牢固度。

2.5 拉桿翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)概述

行李箱把手結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括把手折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計和把手旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計。 為了實現(xiàn)行李箱上下樓梯的省力功能，將拉桿的直桿設(shè)計為可翻轉(zhuǎn)折疊結(jié)構(gòu)；為了節(jié)省箱體內(nèi)部空間， 將常規(guī)內(nèi)置雙桿設(shè)計成外置雙桿與導(dǎo)軌連接，并將拉手端設(shè)計為圓環(huán)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，見圖9，可以在360°范圍內(nèi)滿足使用者在移動行李箱中對把手角度變化的需要，增加了拉桿自由度，使行李箱使用起來更為靈活順手。

圖9 手把及拉桿結(jié)構(gòu)圖

2 功能實現(xiàn)流程圖

前期具備功能：①防碰撞-避障功能 （采用超聲波模塊+偏移角度算法），對前方左中右障礙物的距離進(jìn)行測量，并判斷障礙物的位置，做避讓或者停車動作；②防跌落功能（采用紅外線模塊），利用紅外測距原理，對底盤與地面的距離進(jìn)行測量，高于設(shè)定距離即刻停車。測試距離8cm，遇到深坑自動停止，見圖10。

圖10 功能實現(xiàn)流程圖

3 結(jié)論

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運輸業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年中國國內(nèi)旅游人次達(dá)到60.06 億人次，同比增長8.43%。 交通運輸業(yè)和旅游業(yè)的快速發(fā)展帶動周邊相關(guān)產(chǎn)品的消費提升， 行李箱作為一款出行必備商品，需求量日益增多。

本文實現(xiàn)了在模擬情景中多功能行李箱在視覺模塊下的自動跟隨功能，能較好的解放雙手，提高旅行體驗感；在箱體結(jié)構(gòu)上多處運用人機工程學(xué)，很大程度上提高了行李箱在收納分類方面的效率；在安全防盜方面結(jié)合指紋鎖啟動，高效便捷的提高了行李箱使用安全性。 但在一些惡劣條件下仍具有一定缺陷，如動力和本身結(jié)構(gòu)限制無法平穩(wěn)穿越馬路減速帶， 在上坡時需手扶住拉桿避免箱體傾翻，有時候需要注意調(diào)配重心方便底部智能跟隨驅(qū)動。