基于STM32與樹莓派的視頻采集智能車系統(tǒng)設(shè)計

孔德肖，張晴暉，李俊萩，鄧祥忠，秦明明，鐘麗輝

(西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南昆明 650224)

0 引言

智能車，也稱為輪式機器人，適合應(yīng)用于人類無法或較困難工作的環(huán)境。例如，可應(yīng)用于無人生產(chǎn)線，災(zāi)后救援，無人倉庫，地形勘測，服務(wù)機器人等領(lǐng)域[1]。選擇手機作為智能車的遠(yuǎn)程控制端是最便捷的[2]。本設(shè)計使用Android手機端對智能小車的行駛方向及行進(jìn)路線進(jìn)行控制，同時顯示小車采集的環(huán)境視頻。本系統(tǒng)具有很好的便捷性和易用性，在智能家居安防方面具有實用價值[3]。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

圖1為本設(shè)計的系統(tǒng)總體框架圖，由單片機、樹莓派和Android手機端組成[4-6]。STM32F103RCT6單片機接收手機端發(fā)送的控制指令，處理后對電機驅(qū)動板進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向；與MPU6050角度傳感器模塊連接讀取出小車姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)加入PID控制以實現(xiàn)小車走直線，同時將每個時刻小車的姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示器上。樹莓派用于在小車行進(jìn)過程中進(jìn)行視頻拍攝，并將視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紸ndroid手機端進(jìn)行顯示。Android手機端程序基于Android Stduio平臺進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)了用戶與小車的交互，用戶可以通過虛擬按鍵、語音識別、重力感應(yīng)方式對小車進(jìn)行控制，同時查看小車行進(jìn)過程中采集的視頻信息。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機供電電路設(shè)計

圖2所示是STM32單片機供電電路，使用LM1117將外部接入的5 V電壓轉(zhuǎn)化成為3.3 V的電壓給STM32單片機供電。

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

直流電機功率較大，不能直接與單片機進(jìn)行連接，而且直流電機在轉(zhuǎn)動時存在回流，如果直接與單片機連接會燒壞單片機管腳，嚴(yán)重時還會使整個單片機最小系統(tǒng)都被燒壞。本次設(shè)計采用圖3所示的直流電機驅(qū)動電路，通過單片機管腳輸出的PWM信號對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可以保證電機工作所需的功率，同時又保護(hù)單片機不被損壞。

圖2 單片機電源供電電路

圖3 電機驅(qū)動電路

直流電機驅(qū)動電路使用2片IR2104半橋電機驅(qū)動芯片，通過74LS08與門芯片根據(jù)輸入端來控制其中一片IR2104半橋電機驅(qū)動工作。當(dāng)Ctrl-A管腳輸入為高電平，Ctrl-B管腳輸入為低電平時，PWM信號被送到左側(cè)IR2104電機驅(qū)動芯片上，4個MOS管形成的H橋驅(qū)動電路中Q2和Q4導(dǎo)通，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)Ctrl-A管腳輸入為低電平，Ctrl-B管腳輸入為高電平時，PWM信號被送到右側(cè)IR2104電機驅(qū)動芯片上，4個MOS管形成的H橋驅(qū)動電路中Q3和Q1導(dǎo)通，電機反轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動邏輯如表1所示，當(dāng)PWM輸入的占空比為0時，電機處于停止?fàn)顟B(tài)[3]。當(dāng)PWM輸入的占空比為0～100之間時，可以使用控制管腳來控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

2.3 單片機與硬件模塊的連接

圖4所示為核心控制器與其他硬件模塊的連接圖，以STM32F103RCT6作為控制器和數(shù)據(jù)處理器，外圍連接MPU6050模塊、OLED顯示模塊、WiFi模塊、E3F-DS30C4測距模塊、電機驅(qū)動板、攝像頭舵機和電機編碼器。

MPU6050模塊用于測量小車姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)；MPU6050模塊初始化成功后，OLED顯示模塊即顯示

表1 電機驅(qū)動邏輯表

圖4 STM32與外圍硬件系統(tǒng)連接圖

小車每個時刻的姿態(tài)數(shù)據(jù)；WiFi模塊實現(xiàn)單片機與Android手機的連接；電機驅(qū)動板用于控制電機轉(zhuǎn)速和小車轉(zhuǎn)向；電機編碼器用于測量車輪轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)；ESF-DS30C4紅外測距模塊用于實現(xiàn)小車避障；攝像頭舵機控制攝像頭的轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制小車走固定距離

手機端可以設(shè)置小車自動行走的距離，圖5所示是控制小車走固定距離的流程圖。通過采集得到車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)乘以車輪周長來控制小車所行走的距離。本設(shè)計通過記錄電機編碼器的值，而后轉(zhuǎn)換得到車輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。經(jīng)過測量，該系統(tǒng)的小車輪子直徑為d=6.5 cm，小車周長為C=3.14d，輪子每轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)780個編碼器值，所以計算小車所走距離公式為：X=N/780×C，N為記錄的電機編碼器值，將計算得到的X和Android手機端設(shè)定的距離值進(jìn)行比較，如果相等，則小車停止，否則定時器繼續(xù)記錄編碼器的值直到小車停止。

圖5 小車走固定距離流程圖

3.2 控制小車走直線

控制小車走直線很有必要，因為若小車電機存在性能差異，會導(dǎo)致小車行走偏離直線。控制小車走直線主要有2種方法：直接使用電機編碼器的值進(jìn)行控制，但是此法在使用PID調(diào)節(jié)時不穩(wěn)定，不易實現(xiàn)；另一種方法是通過使用角度傳感器獲得小車的偏航角，從而控制小車走直線。本系統(tǒng)采用了更易實現(xiàn)PID控制的第2種方法。如圖6所示，首先通過MPU6050角度傳感器獲得小車的初始偏航角，然后使用四元數(shù)算法得到小車行走過程中每個時刻的偏航角，再與初始偏航角進(jìn)行差值計算，放入PID控制器分別對左右兩側(cè)電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)小車走直線。

圖6 小車走直線流程圖

四元數(shù)的表示式為：

q=[w,x,y,z]T|q|2=w2+x2+y2+z2=1

(1)

式中：w為實數(shù)；(x,y,z)為三維空間向量。

通過四元數(shù)轉(zhuǎn)化得到歐拉角過程如下：

首先，通過旋轉(zhuǎn)軸和繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度可以構(gòu)造一個四元數(shù)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度得到四元數(shù)。其中α表示旋轉(zhuǎn)角度，cos(βx)、cos(βy)、cos (βz)表示旋轉(zhuǎn)軸在X、Y、Z方向上的分量，如式(2)所示。

w=cos(α/2)，x=cos(βx)·sin(α/2)y=cos(βy)·sin(α/2)，z=cos(βz)·sin(α/2)

(2)

然后，將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成為歐拉角[7-8]。其中Roll、Yaw、Pitch分別表示物體繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度,如式(3)所示。

Roll=atan(2(wx+yz)，1-2(x2+y2)) Yaw=arcsin(2(wy-zx)) Pitch=atan(2(wz+xy),1-2(y2+z2))

(3)

3.3 Android手機端軟件設(shè)計

Android手機端使用Java語言編程，基于Android Studio平臺開發(fā)[9-10]。用戶在手機端首先選擇控制模式(分為按鍵控制、語音控制、重力感應(yīng)控制)，然后控制小車的速度及方向，同時查看小車采集并上傳的實時視頻。

圖7所示為手機端控制界面，虛擬按鍵模式和重力感應(yīng)控制模式可以控制小車前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，語音控制模式主要用來控制小車行走固定距離和小車轉(zhuǎn)動固定角度[11]。視頻按鈕可以加載實時視頻畫面，2個進(jìn)度條分別調(diào)節(jié)攝像頭進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動和垂直轉(zhuǎn)動，加速和減速按鈕進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，發(fā)送按鈕進(jìn)行控制命令的發(fā)送。

圖7 Android手機端控制界面

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖8 智能小車實物圖

本設(shè)計的視頻采集智能小車實物如圖8所示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，用戶可以用手機控制小車行走，且在手機端可查看小車采集的現(xiàn)場視頻。

4.1 手機端虛擬按鍵控制測試

手機端虛擬按鍵模式下可以通過按鍵來發(fā)送指令到單片機，來控制小車轉(zhuǎn)向、后退和前進(jìn)。當(dāng)前進(jìn)按鈕或后退按鈕一直被按下時，小車前進(jìn)或后退，當(dāng)放開按鍵時，小車停止；當(dāng)轉(zhuǎn)向按鈕被按下時，小車執(zhí)行轉(zhuǎn)向動作，按下的時間越長，轉(zhuǎn)向的角度越大，放開按鍵時小車停止轉(zhuǎn)向。

4.2 手機端重力模式控制測試

手機端重力模式下可以通過傾斜手機來控制小車前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。手機前傾時小車前進(jìn)；手機后仰時，小車后退；手機向左切斜時小車左轉(zhuǎn)，手機向右傾斜時小車右轉(zhuǎn)；手機處于水平狀態(tài)時小車停止。

4.3 手機端語音模式控制測試

表2是語音識別發(fā)送數(shù)據(jù)表，如果語音識別轉(zhuǎn)換為字符串與已定義的語音數(shù)據(jù)幀匹配，則調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送線程進(jìn)行控制命令的發(fā)送，如果不匹配則通過語音提醒用戶進(jìn)行重新輸入。在該模式下，可以通過語音控制小車行走的固定距離和固定角度，測試結(jié)果如表3和表4所示。

表2 語音識別發(fā)送數(shù)據(jù)表

表3 小車走固定距離測試表

表4 小車轉(zhuǎn)固定角度測試表

5 結(jié)論

本文設(shè)計的智能小車使用STM32單片機作為核心控制器，Android手機端作為用戶控制端，樹莓派實時拍攝監(jiān)控視頻。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分具有良好的協(xié)調(diào)性，小車能夠即時執(zhí)行Android手機端發(fā)送的各種控制指令，實時視頻傳輸具有良好實時性和穩(wěn)定性。