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智能快递机器人-人脸识别算法设计.pdf
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智能快递机器人——人脸识别算法设计
摘 要
智能快递机器人是一种以自动导航轮式小车为载体,搭载人脸识别检测模块以及储
存箱体的智能运输机器人。其可以实现 GPS 自动导航,箱门自动开合,识别取件人面部
等功能,主要运用于写字楼,小区,高校宿舍楼等物流运输的终端场所,研究目的在于
为传统快递业注入一个新的生命力,以及作为智能生活应用方面的一个代表。
而人脸识别技术基于生物特征安全识别技术,作为机器视觉方面的应用,是智能识
别的一个重要体现,已经广泛应用于安防,门禁,交通图像处理等领域,具有很高的安
全性和可靠性,将其运用在智能快递机器人上无疑能提高产品的智能化程度。而两者结
合在一起的智能快递机器人不仅能具备快捷的配送功能,也具备了安全防盗的功能。
本次研究中,人脸识别模块核心采用 k210 芯片,编程语言使用 python,基于人脸
识别特征库来实现。主要使用到 python 中的 opencv,numpy,pillow 等 pip。在经过人脸
检测,人脸特征采集,模型训练,人脸识别四个步骤后,达到所需的检测效果。主要以
实体模块来展示人脸识别功能,并且详细对关键环节:人脸检测,人脸特征,人脸识别
这三大环节来进行讲解。这款快递机器人结合先进的人脸识别技术,以一种智能生活的
理念给消费者带来全新的体验,也大大减轻了快递员的负担,使派件变得更加便捷。
智能快递机器人的研究想法来源于生活,对于我们平常的取快递时种种的不便产生
的疑惑和烦恼,这款机器人都能很大程度上解决这些问题,智能机器人最重要的一点就
是能够为人类提供最大的帮助,这也是我们想法的初衷。
关键词:智能快递机器人,人脸识别,生物特征识别技术,python
Intelligent delivery robot - face recognition algorithm design
Abstract
Intelligent express robot is a kind of intelligent transport robot with automatic navigation
wheeled vehicle as the carrier, equipped with face recognition detection module and storage
box. It can realize the functions of GPS automatic navigation, automatic opening and closing
of the box door, recognizing the face of the person taking the package, etc. It is mainly used in
the terminal places of logistics transportation such as office buildings, residential areas,
university dormitory buildings, etc. The purpose of the research is to inject a new vitality into
the traditional express industry, and as a representative of intelligent life application.
And facial recognition technology based on biometric security identification technology, as
a machine vision applications, is an important embodiment of intelligent recognition, has been
widely used in security, access control, traffic areas such as image processing, has the very
high safety and reliability, and applied it in the intelligent express robot can improve the
1
intelligent degree of the product. The combination of the two intelligent delivery robot can not
only have a quick delivery function, but also has the function of security.
In this study, k210 chip is used as the core of the face recognition module, and python is
used as the programming language, which is realized based on the face recognition feature
library. Mainly used to python in opencv,numpy,pillow and other PIP. After four steps of face
detection, face feature acquisition, model training and face recognition, the desired detection
effect is achieved. The function of face recognition is mainly demonstrated by entity module,
and the key links, such as face detection, face features and face recognition, are explained in
detail. The delivery robot combines with advanced face recognition technology to bring a new
experience to consumers with the concept of intelligent life, which also greatly reduces the
burden of couriers and makes delivery more convenient.
The research idea of intelligent express robot comes from life. As for the doubts and
troubles caused by various inconveniences when we pick up express, this robot can solve
these problems to a great extent. The most important point of intelligent robot is that it can
provide the greatest help to human beings, which is also the original intention of our idea.
Key words: intelligent express robot, Face recognition,Biometrics, python
目 录
1 前言 ...................................................................... 1
1.1 智能快递机器人及人脸识别技术的目的、意义............................. 1
1.2 智能快递机器人应达到的技术要求....................................... 4
1.3 智能快递机器人在国内外的发展概况及存在的问题......................... 5
1.4 智能快递机器人应解决的主要问题....................................... 7
2 人脸识别算法设计 ........................................................... 9
2.1 设计原理 ............................................................ 10
2.1.1 各部分技术原理 ................................................ 10
2.1.2 人脸识别模块参数 .............................................. 12
2.2 方案选择 ............................................................ 13
2.2.1 存在的影响因素 ................................................ 15
2.2 设计过程 ............................................................ 15
2.2.1 人脸检测 ...................................................... 16
2.2.1 人脸特征数据采集 .............................................. 17
2.2.1 人脸训练 ...................................................... 19
2.2.1 人脸识别 ...................................................... 20
2.2.1 模块的准备工作及调试 .......................................... 22
3 结论 ...................................................................... 23
2
参考文献 ................................................................... 25
谢辞 ....................................................................... 26
附录 ....................................................................... 27
1 前言
众所周知,现在中国的快递业正在面临巨大的挑战,尤其是在最后的环节——终端
配送的难题逐渐成为各快递公司的关注点和急需解决的地方。而且这样的难题不仅仅存
在于快递行业,也紧紧关系着城市和农村的信息化建设和网络化服务的铺设。而在分析
国内外的智能机器人的发展情况以及物流行业的运作方式之间的差异之后,我们自主进
行了智能快递机器人课题的调查研究以及机器人实物的研发工作,对于传统快递业提出
了几点新的理念和建议。
首先智能快递机器人是一种基本可以完全实现无人控制的一种物流配送终端的智
能型机器人。它以强大的智能芯片为控制中枢,搭载了四个直流驱动电机为动力部件,
采用先进的人脸识别模块,人脸识别速率可达到一秒以内,然后在人脸识别成功后给箱
门继电器输出一个高电平信号,使连接箱门的机械手臂电机运作,完成打开箱门动作,
在收件人取出快递后可自动闭合箱门。智能快递机器人的主要特点在于轻巧的身躯,强
大的 GPS 自动导航技术,以及安全可靠的人脸识别技术。
而人脸识别技术是基于计算机视觉应用的一个重要研究领域,在图像检索,身份识
别等都有广泛应用。而光线补偿技术,高斯平滑技术以及二值化技术均是提高人脸识别
准确率的重要技术之一。在许多国家,人脸识别在军事领域,智能家居,移动式电子产
品上都已经相当普及。
这两者的结合产物——智能快递机器人的主要作用是能解决物流的终端配送问题,
可以在任意指定的时间内前往收件人指定的相对固定场所,由 GPS 自动导航到达目的地
后,经过人脸识别读取到收件人的信息,确认无误后打开箱门送出快递,完成配送过程。
这是在物流领域中一次创新性的尝试,突破了传统人力配送的固定方式,可给传统快递
业注入新的生命力。
1.1 智能快递机器人及人脸识别技术的目的、意义
智能快递机器人的设计主要有三个目的:
1.结合人工智能,加速快递行业的发展,提高中国智能化生活程度
快递行业从古至今就是一种国民性的服务型行业,从中国古代的镖局,到如今遍布
世界各地的快递运输公司,都表明人们离不开快递这一服务行业。在欧美等发达国家更
是如此,快递公司在全球的运输行业公司排名中都占据着前列。
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而在中国,随着电子商务的兴起,快递行业也在不断发展当中,由于中国人口基数
庞大,国人对于电子消费的热度自 2008 年以来持续上升,快递的数量更是与日俱增。
据国家邮政局局长在 2020 年的工作会议指出,2019 年全国快递总量达到 630 亿件,是
欧美国家的数倍之多,而且中国快递员的数量高达 320 万,但仍然是处于紧缺的状态。
随着近年来劳动力成本的上涨,如此庞大的产业如果还继续依靠这种普通的人力运输来
支撑,只会使其发展变缓,甚至会使用户的体验越来越差。而著名的国营企业邮政快递
正是因为服务质量参差不齐,服务效率逐渐下降,导致市场份额连年下跌,大部分民营
快递公司趁势崛起,以信息化和智能化的服务为方针赢得了大批的用户。由此看出,传
统的人力快递运输行业急需改革。
智能化生活通常是指在数据分析,人工智能,物联网 +等技术支持下,给使用者在
日常生活中提供多种自动化帮助。例如现在已经推出市场的声控机器人,智能家具,无
人驾驶汽车等,能极大地解放人们的双手。而我国近年来不断推动城市智能化发展和普
及智慧城市的观念,但智能化生活似乎离普通百姓的生活很远,一方面是智能机器人的
技术还不够成熟,另一方面是这方面的产品较少,没有涵盖重要的领域。这就证明了智
能快递机器人既不仅仅是一种新型理念,也是为了填补快递行业智能化产品的空白,符
合我国推行智能化生活前进的步伐。
在国家政策方面,随着第四次工业革命的呼声越来越高,而且在“中国制造 2025”
政策也指出:要加快和推动智能服务型机器人的研发以及产业化,重点鼓励和培养服务
型企业对于智能型机器人的研究。所以可以体现出中国服务业数字化,网络化和智能化
的改革势在必行,而传统快递业作为服务业的标杆,更应该率先打响这改革的第一枪,
智能快递机器人就是首先要注重的一个研究方向。只有把快递运输与数据分析以及人工
智能结合起来,争取实现互联网 +机器人物流,才能达到高度去人力化,降低消费成本
中的劳动力占比,加速快递业的发展。
2.减轻快递员负担,提高配送效率
或许一提到快递员这个行业,不少人的第一印象可能都是感觉又脏又累,工资水平
相对来说一般,工作时间比较长,有可能遭受严寒和酷暑的环境。的确,快递员这个职
业从来都不和轻松挂钩,甚至有时候会因为配送时间以及地点问题与顾客产生不必要的
矛盾。这时候,智能快递机器人目的就在于克服这一系列的困难,既不会受制于一般的
外界环境,也不会产生任何的劳累感,可一直工作到能源耗尽,并且还能以良好的服务
质量取得顾客的认可。
另一方面,传统的快递员的工作通常都是分成两大类型,一是在仓库中进行快递的
挑拣,分类和储存。二是把快递从发货地运到指定地点仓库后,再分区域配送到不同的
小区住宅,办公场所。由于仓库通常货物数量庞大,如果仅靠人工分拣,不仅有可能出
错,对于快递员来说也是体力和精神上的挑战。而小区住宅以及各种公司的办公地点虽
然是相对固定的,但存在楼层众多,取件人位置分散,收货人取件的时间无法集中在某
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一个时间段等等问题。这一系列问题会导致快递员工作时间变长,工作精力会被大量消
耗在路途中,而且效率也不能得到稳定保证。而智能快递机器人能全程无人工参与,有
极低的容错率,能定时定点准确地把快递送到收货地点,依靠云数据存储用户信息,可
即时读取,节省了快递员的配送路程遥远的问题和解决了用电话通知取件人时产生的费
用问题,极大地提高了配送效率。
3.优化用户体验,提升快递安全
任何智能产品的设计初衷都是给用户最好的体验。相信不少人在取件时都会有过这
样一些经历:取件时有些快递员会因为小区楼房没有电梯而选择在楼下派件;还有就是
配送时间的不固定可能会造成自己不在家时快递刚好到了,导致无法取件。而智能快递
机器人能够完美解决这些问题,一方面是能自动按电梯上下楼,遇到无电梯小区也能开
启爬楼梯模式,轻松送货到家门;二是能根据收货地点的距离自动预计到达的时间,提
前给收件人发送信息,决定是否可以派件。这样既使派件变得便捷,也可以尽可能地利
用好时间。
近年来也有发生不少快递在派送过程中丢失,被盗的情况,而快递公司对于没有保
价的货物一般是采取低价赔偿政策的,所以快递安全问题已经成为用户首先要考虑的问
题之一。而智能快递机器人正是为解决这一问题而生。它首先采用坚硬的钢铁车架,全
密闭结构的外壳,给快递提供一个安全的运输环境。其次内置安全报警装置,一旦有人
尝试强制打开箱门抢走快递,它就会自动锁住箱门并把信息反馈给警察部门以及公司相
关的负责机构,确保快递不会丢失。在用户取件方面,也内置先进的人脸识别模块,有
快速响应的夜间识别摄像头,再结合服务器上储存的用户信息,确保把快递交到正确的
用户手上。
智能快递机器人结合人脸识别技术的意义:
目前,我国的快递收件人群主要集中在社区,办公大楼等,配送方式还是以自主取
件和人工配送为主。但这两种配送方式都存在一定的缺陷。
第一种自主取件也是近几年才流行的一种新取件模式,通常是指把快递放到与快递
公司合作的服务点,或者是放到快递公司专门研制的无人取货柜里面,然后用户再根据
自己的选择在规定时间内自行到达取件点取走快递。这从人力资源层面上分析,的确省
去了快递员大部分的劳力和时间成本,也达到了集中管理模式的目的。但这种模式牺牲
了用户的体验,在一定程度上给用户造成很大的不便。因为用户需要自己亲自到达取件
点,一些距离取件点较远的用户会感到非常困扰,而且如果是人工服务点的话,也无法
做到 24 小时取件服务,一些用户会觉得这样的服务较差,对快递公司产生排斥感。
第二种人工配送是最直接也是最普遍的快递配送方式。这种配送方式一般采用人 +
车,在不指定的时间内随机进行配送。这种模式同样存在以下几点缺陷:
a) 人力成本,运输车辆成本,时间成本较高;
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