基于STM32的智能移動攝影機器人

隨著社會和時代的發(fā)展，我們正迎來一個自媒體時代，無門檻的自媒體時代自然受到眾多自媒體從業(yè)者的青睞。據(jù)了解，正在使用的諸如搖臂機器人、軌道機器人等拍攝設備，其供電和信號傳輸都是有線傳輸，行走軌跡易受到線纜的束縛，還需要額外的人力輔助，沒有達到智能設備應該達到的減員增效的目的。受到市場需求的牽引，在光電圖像傳感技術以及圖像處理技術的發(fā)展過程中，機器視覺憑借其易于實現(xiàn)信息集成、易于實現(xiàn)自動化、連續(xù)性強、非接觸等優(yōu)勢逐漸引起國內外生產制造企業(yè)的重視。

針對自媒體人中缺乏專業(yè)的攝影人員，且傳統(tǒng)的拍攝設備操作難度大，場地限制多等需求，本課題旨在設計一款智能移動攝影機器人。在預定和非特定情景通過場景編排與路徑規(guī)劃可很好地進行視頻的錄制和照片的拍攝，無軌化追蹤被鎖定物體的運動，自動調整方向、焦距，保持被拍攝物體的清晰度和視頻的流暢度，提前設置好所需場景參數(shù)，即可不用再發(fā)出其他的指令。它能獨立完成一個攝像師的工作，并把拍攝的數(shù)據(jù)文件將自動儲存在電腦里。

1 控制系統(tǒng)總體設計方案

基于STM32的智能移動攝影機器人主要包括以下幾個模塊：

（1）主控芯片STM32f407

STM32F4是由ST（意法半導體）開發(fā)的一種高性能微控制器。其采用了90 納米的NVM 工藝和ART（自適應實時存儲加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?）。運用到的芯片外設有2.4G模塊的SPI通訊，兩路特殊的高級定時器產生PWM控制電機，其他模塊驅動均用軟件實現(xiàn)。

（2）攝像頭模塊

OpenMV是一個開源的，搭載了一個強大的32位處理器的攝像頭，是一個較為完整的開發(fā)系統(tǒng)，OpenMV4攝像頭可以完成在機器視覺算法中處理復雜的輸出，在舵機和云臺的輔助下從而實現(xiàn)人臉識別，物體識別追蹤功能，其功能的變化主要依據(jù)于圖像處理得到的信息，轉動方向由系統(tǒng)I/O口傳輸而來的PWM波控制。

（3）遙控制動模塊

通過PS2無線遙控手柄利用SPI通信協(xié)議，發(fā)送信號到stm32芯片上，接收數(shù)據(jù)后控制驅動，從而做到遠程遙控機器人。

（4）GPS模塊

GPS模塊是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。它通過串行通信口不斷輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇應用。低功率消耗、支持準確1pps輸出信號接軌GPS校準、支持標準的NMEA - 0183和SIRF二進制協(xié)議、多路徑減緩硬件、易于集成到手持式設備。

（5）SD卡模塊

SD卡模塊只需要少數(shù)幾個主控IO口控制SDIO即可將數(shù)據(jù)存儲進8G以及以上的存儲設備。這里通過STM32內部程序完成控制。此模塊主要作用是儲存所拍攝照片和視頻文件，將信息存入SD卡內。

本項目為了達到可自由調焦的目的，使用openmv4攝像頭，并在此基礎上進行提取達到圖像處理以及對目標物體的運動。由于舵機會根據(jù)目標移動而轉動，所以得對攝像頭拍攝進行消抖處理。

對軟件及程序的設計，本項目編程的計算機語言主要是C++和python，攝像頭對拍攝的畫面分析之后，經過STM32處理后控制小車的轉向與行動。軟件設計是本項目的核心，通過Python編程對實現(xiàn)路徑跟蹤，人臉檢測、識別與追蹤。

2.項目特色

（1）預定情景拍攝模式，可將被拍物體照片以及路徑數(shù)據(jù)存入電腦，通過場景編排和路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)機器人自主拍攝功能。

（2）在非特定情景模式，只需給定拍攝目標照片，機器人即可自動追蹤并拍攝。

（3）拍攝動物，可解決人工拍攝可能會遇到的角度問題和工作時間限制。

3.項目創(chuàng)新點

（1）實現(xiàn)拍攝器材的無軌化，解決了拍攝場地的諸多限制問題。

（2）機器人成本較低，可節(jié)約大量人工成本和器材設備費用。

（3）機器人在外拍攝可發(fā)出定位信號，這樣來達到尋回機器人目的。

（4）人工緊急制動功能，在拍攝環(huán)境遭遇突發(fā)情況時，停止作業(yè)并安全返回。

4.項目研究中遇到的部分問題及應對措施

（1）在實現(xiàn)機器人在預設路徑上行駛功能時，鏡頭的焦距， 會決定小車的視野范圍， 影響小車尋線的效果，在路徑顏色閾值采集上參數(shù)不好調試。

（2）上電后機器人不動或者行駛不好， 是電壓不夠， 需要對電池進?充電。車上電后在亂跑（轉圈），后發(fā)現(xiàn)是OpenMV沒有脫機運?代碼.

（3）由于OpenMV反饋的是PWM信號，在預設路徑行駛中沒有遇到太多的問題，但是在人臉識別追蹤的過程中，較容易實現(xiàn)攝像頭的追蹤，但是攝像頭反饋信號給主控板到PWM信號控制電機轉向和轉速過程中，存在時間延遲，導致反應不及時最終失去目標物體。后通過調試解決。

（4）難點主要還是在軟件程序的編寫上，由路徑識別功能，人臉追蹤識別功能，GPS定位功能以及人工緊急制動功能的相互組合完成。本項目的功能較為復雜導致一開始在程序編寫上比較混亂，代碼不統(tǒng)一實現(xiàn)，后通過模塊化編程實現(xiàn)，將不同模塊的初始化及驅動過程封裝在不同的文件中，在主函數(shù)文件中只實現(xiàn)調用的過程。

總結與展望：隨著科技的不斷進步，機器視覺系統(tǒng)在國內電子行業(yè)、汽車行業(yè)、印刷行業(yè)等領域中發(fā)揮了越來越重要的作用，并逐漸開始在其他傳統(tǒng)設備制造行業(yè)的生產智能化改造與技術升級中得以應用。在自媒體人中，她/他們大多團隊人少，分工非常明確，專攻某一領域，而用來展示、廣告的攝影、攝像板塊往往沒有專門的人員，導致其無法很好地展示團隊的作品。而專業(yè)攝影人員和器材單次使用價格都很昂貴，且大多攝影/錄影設備功能太多，新手操作比較困難。另外在傳統(tǒng)的野外野生動物攝影攝像中，不僅環(huán)境危險，而且拍攝人員持續(xù)工作時間長，耗費大量的人力物力（時間成本高、攝影器材）。本項目采用基于STM32和OpenMV設計的智能攝影機器人，為其提供更方便智能的攝影方式。

本項目為西北民族大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目

（項目編號： 202010742070）。

作者簡介：冉亮（2000—），男，重慶人，大學本科在讀，主要研究方向為通信工程。