基于STM32精準(zhǔn)識(shí)別-萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)無(wú)線智能小車云臺(tái)

汪磊 汪志平 張家樂(lè)

摘? ?要：為了適應(yīng)不同用戶和功能的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)于一種基于STM32可以自動(dòng)精確識(shí)別目標(biāo)、自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)路線，實(shí)時(shí)避障的無(wú)線調(diào)控智能小車云臺(tái)，小車云臺(tái)可以搭載不同的功能模塊或者器件進(jìn)行相應(yīng)工作，例如機(jī)械臂操作、載物臺(tái)運(yùn)輸、水槍滅火等等。此小車云臺(tái)具有多樣的功能、靈活方便、智能控制等特點(diǎn)，在某些領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：STM32? 智能控制? 小車云臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP23;TP368? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（a）-0111-03

在很多領(lǐng)域中，人們都需要運(yùn)用機(jī)器來(lái)代替人類去完成復(fù)雜、繁重、精細(xì)、危險(xiǎn)甚至人類無(wú)法完成的工作，而我們基于這樣的需求，設(shè)計(jì)出一款功能多樣、可以適應(yīng)不同條件道路的智能小車云臺(tái)，該智能小車云臺(tái)可以搭載使用者所需求的器件或者工具，通過(guò)這款智能小車云臺(tái)快速、平穩(wěn)地去運(yùn)行到指定地點(diǎn)工作，大大提高了工作效率，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、易操作等特點(diǎn)，有很高的應(yīng)用場(chǎng)景與方式。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體架構(gòu)采用麥克納姆輪車模，整個(gè)車模的速度和運(yùn)動(dòng)方向是由四個(gè)麥輪的四個(gè)轉(zhuǎn)速聯(lián)合作用而實(shí)現(xiàn)的。麥輪車模有一套復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于小車的運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)精確的麥輪車?？刂茝亩Ｕ闲≤嚨撵`活、輕巧的特點(diǎn)。

如圖1所示，小車的結(jié)構(gòu)主要包括八個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源管理模塊、無(wú)線傳輸模塊、攝像頭識(shí)別模塊、避障模塊、速度反饋模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、多功能云臺(tái)模塊、屏幕顯示模塊。

各個(gè)模塊的主要功能：

單片機(jī)控制模塊：小車所用的是恩智浦公司所生產(chǎn)的MK60系列單片機(jī)，作為系統(tǒng)的的核心模塊 ，主要是將攝像頭識(shí)別傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)算法處理與速度反饋模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)相互協(xié)調(diào)，在單片機(jī)寫好的程序中，根據(jù)避障模塊的數(shù)據(jù)傳輸給四個(gè)電機(jī)相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，并且將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)屏幕顯示。

電源控制模塊：是整車各個(gè)模塊相互配合的保障，一個(gè)穩(wěn)定、持續(xù)的電源是小車可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，小車所用的電源是易拆卸的8V鋰電池電源，其中核心板使用是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力保障，可靠、穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的必備條件，整個(gè)系統(tǒng)的供電是由7.2V鋰電池提供的，運(yùn)用 DC-DC電壓變換原理，得到需要的電壓，為不同模塊提供可靠電源。

避障模塊模塊：該模塊是防止小車卡死、保證小車通暢運(yùn)行的主要措施，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車所處環(huán)境的情況，根據(jù)障礙物的形狀和大小，使小車作出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，從而使小車高效率的運(yùn)行。

速度反饋模塊：測(cè)量小車當(dāng)前行駛速度，及時(shí)將車速信息反饋到主控芯片上，形成閉環(huán)系統(tǒng)，讓小車適應(yīng)不同地形的措施，也是提高控制精度的重要模塊。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：是整個(gè)系統(tǒng)的“飛毛腿”，也是算法高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，良好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)更加有利于小車的快速加速和制動(dòng)，是小車快速反應(yīng)，保障小車進(jìn)行高效率的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

多功能云臺(tái)模塊：該模塊是小車進(jìn)行不同功能的多樣性替換模塊，使用者根據(jù)自身?xiàng)l件與需求可以方便的選取功能模塊，進(jìn)行工作。

屏幕顯示調(diào)試模塊：輔助調(diào)試模塊用于建立良好的人機(jī)交互界面，是驗(yàn)證編程錯(cuò)誤的重要手段。它也是在運(yùn)行時(shí)修改一些重要參數(shù)的便捷措施。修改一些重要參數(shù)可以大大節(jié)省調(diào)試過(guò)程，方便開(kāi)發(fā)者調(diào)整和啟動(dòng)。

攝像頭識(shí)別模塊：該系統(tǒng)選取了OPENMV4 H7攝像頭，該款攝像頭自帶處理芯片，大大減輕主控芯片的運(yùn)算，且攝像頭可以單獨(dú)且簡(jiǎn)單地進(jìn)行目標(biāo)選取，目標(biāo)可多樣化如不同形狀和顏色的物體，人臉、二維碼、數(shù)字識(shí)別，紅外檢測(cè)，巡線等等目標(biāo)，是小車的一雙犀利的“雙眼”。

無(wú)線控制傳輸模塊：該模塊可以使使用者遠(yuǎn)距離進(jìn)行操控小車，或者下達(dá)相應(yīng)指令，還可以快捷傳輸回監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和小車的實(shí)時(shí)狀況。

1.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

編程使用了MK60系列芯片中的TIM模塊、PIT模塊、AD模塊、I/O模塊、PIT模塊、PWM模塊。當(dāng)中四路電機(jī)由主控芯片發(fā)出PWM波來(lái)控制，通過(guò)攝像頭和避障模塊確定地形和目標(biāo)位置，I/0塊主要用作模塊的數(shù)據(jù)傳輸。PIT模塊作為定時(shí)器發(fā)生不同的時(shí)間段，給主控芯片處理中斷任務(wù)，速度控制服務(wù)程序都寫在了PIT中斷當(dāng)中。

如圖2所示，可以看出軟件的設(shè)計(jì)由三個(gè)部分組成：圖像信息采集與處理、控制算法和速度反饋信息。

圖像信息采集與處理：OpenMV配備了MicroPython解釋器，這個(gè)可以用Python嵌入式編程。 使Python的程序更簡(jiǎn)單。例如，直接調(diào)用findoubs（）可以獲得包含所有顏色塊信息的列表。使用python巡回各色塊，能得到他們的全部信息。對(duì)于這些復(fù)雜功能只要幾行代碼。同時(shí)，OpenMV采用著重疊可能的設(shè)計(jì)，能追加各種各樣的shield。

控制算法：依據(jù)麥克納姆輪小車基本控制方法，使用k60核心板的FTM0模塊，輸出四路PWM占空比值，用于閉環(huán)驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速大小。調(diào)整四個(gè)PWM參數(shù)，即可方便地實(shí)現(xiàn)小車的速度快慢（和四種運(yùn)動(dòng)方向的控制。通過(guò)攝像頭反饋的車輛方向修正參數(shù) 。由于麥輪車模四個(gè)麥輪既控制車輛運(yùn)動(dòng)速度，又控制車輛運(yùn)行方向，因此要把車輛方向修正參數(shù)加到車子控制函數(shù)的四個(gè)電機(jī)控制PWM參數(shù)上，從而實(shí)現(xiàn)小車精確的控制運(yùn)行。

速度反饋：為了達(dá)到更好的控制效果，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制是必要的。這里的速度控制策略是指小車達(dá)到設(shè)定的速度去運(yùn)行—設(shè)定速度主要由道路的陡緩、直彎道、粗糙程度等決定，將情況實(shí)時(shí)不斷地反饋給您主控芯片，結(jié)合相應(yīng)的算法去實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)電機(jī)的控制。

2? 應(yīng)用

（1）一種移動(dòng)式快遞分揀搬運(yùn)小車：隨著電商的發(fā)展，快遞在人們的生活中占得比例越來(lái)越重，通過(guò)智能小車云臺(tái)對(duì)各個(gè)快遞上的二維碼識(shí)別從而分揀運(yùn)輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)，幫助快遞員對(duì)快遞進(jìn)行分揀和搬運(yùn)，對(duì)于減輕快遞員的工作強(qiáng)度，提高工作效率具有重要意義，一定程度上減少出錯(cuò)率。

（2）基于機(jī)械臂的智能小車：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會(huì)正朝著自動(dòng)化、智能化的方向快速發(fā)展。另外，由于人手的局限性，且大多數(shù)機(jī)械手臂都具有很大的局限性，往往只能固定地進(jìn)行工作。所以機(jī)械臂可以搭載智能小車云臺(tái)，它可以在控制器發(fā)出指令后，通過(guò)終端無(wú)線連接發(fā)送給機(jī)械臂小車，小車根據(jù)指令與周圍環(huán)境自動(dòng)處理指令并執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，此過(guò)程中便不再人為參與。

（3）智能滅火小車：隨著社會(huì)與國(guó)家發(fā)展，現(xiàn)代火災(zāi)的危害較大且對(duì)于消防員也是一種生死考驗(yàn)，于是自動(dòng)滅火裝置可以搭載我們的智能小車云臺(tái)，消防員可以通過(guò)終端控制已經(jīng)加裝防護(hù)小車進(jìn)入火場(chǎng)，通過(guò)紅外熱成像攝像頭去快速定位被困者，還可以實(shí)時(shí)傳輸火場(chǎng)數(shù)據(jù)，使消防員快速有效地進(jìn)行滅火，從而最大限度地減小人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3? 結(jié)語(yǔ)

這款多功能智能小車云臺(tái)其獨(dú)特的性能與特點(diǎn)創(chuàng)造了一個(gè)空白市場(chǎng)，無(wú)論是民用、商用、軍用等等，都具有其強(qiáng)大的適用性能，前景廣闊。這款云臺(tái)操作簡(jiǎn)易，可以通過(guò)可視化屏幕進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)參，初始化，還可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行無(wú)線傳輸、調(diào)控，單獨(dú)通過(guò)攝像頭進(jìn)行目標(biāo)的確定，其操作只需幾句簡(jiǎn)單的語(yǔ)句即可實(shí)現(xiàn)。其車載云臺(tái)根據(jù)使用者需求隨時(shí)隨地簡(jiǎn)易更換，達(dá)到不同的功能需求，四路電機(jī)控制小車，靈活穩(wěn)定的運(yùn)行滿足不同使用者對(duì)于不同地形的要求?？傊?，小車云臺(tái)可以讓使用者高效率完成復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁重的工作與要求。

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