基于單片機(jī)控制的智能送藥小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姬冠妮，孟家寶，姚鵬

（西安交通工程學(xué)院中興通信學(xué)院，陜西西安，710300）

0 引言

隨著社會科技的發(fā)展，人們的出行工具日新月異，自上世紀(jì)60年代起，電子技術(shù)的進(jìn)步就已成為汽車工業(yè)發(fā)展的最大動力，90年代，國外已提出智慧交通系統(tǒng)的概念，智能車輛的開發(fā)設(shè)計(jì)則是智慧交通系統(tǒng)的重要部分。智能汽車能夠利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車的自動駕駛。進(jìn)入車道，汽車碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過使用車載傳感器和攝像系統(tǒng)，從而能夠在遇到障礙物或者行駛條件發(fā)生變化時(shí)能夠做出迅速調(diào)整，從而在很大程度上減少甚至避免交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)和原理

本應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32芯片為智能小車的核心控制器件。系統(tǒng)有4個(gè)基本模塊，包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、視覺循跡模塊，無線通訊模塊，主控選擇STM32 F103RCT6，通過速度閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動的精準(zhǔn)控制。循跡模塊由兩個(gè)顏色傳感器和四個(gè)光電管組成，通過判斷黑色虛線以及紅色實(shí)線以達(dá)到循跡的功能，電池電壓為12.6V，采用三節(jié)18650鋰電池串聯(lián)供電。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

■ 1.1 運(yùn)動循跡模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用顏色傳感器尋跡。由顏色傳感器識別通道中部紅色實(shí)線，位于小車兩側(cè)保證其沿直線行駛，此方案風(fēng)險(xiǎn)小難度較低，對環(huán)境光線要求相對較低，且只要考慮道路中紅線交叉的問題，現(xiàn)場實(shí)測表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺，但基本上沿紅線行駛。

(1) 顏色傳感器TCS3472

TCS3472 光電轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)3×4光電二極管陣列、四個(gè)集成光電二極管，電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)據(jù)寄存器、一個(gè)狀態(tài)機(jī)和一個(gè) I2C 接口。3×4光電二極管陣列由紅光、綠光、藍(lán)光和清晰(未濾光)光電二極管組成。此外，光電二極管還涂有紅外阻擋濾光片。四個(gè)積分ADC同時(shí)將放大的光電二極管電流轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字值。轉(zhuǎn)換周期完成后，結(jié)果被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器采用雙緩沖方式，以確保數(shù)據(jù)的完整性。所有內(nèi)部時(shí)序以及低功率等待狀態(tài)都由狀態(tài)機(jī)控制。

首先對圖像進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理，圖像采集和傳輸過程中可能產(chǎn)生噪點(diǎn)，通過圖像灰度化和圖像濾波減小對圖像處理的干擾。

其次攝像頭采集跑道上的紅線，通過硬件二值化處理，這里用到最大類間方差法(Otsu)來實(shí)現(xiàn)圖像二值化閾值選?。?/p>

Otsu算法的基本思路是采用某一設(shè)定灰度值t將圖像的實(shí)際灰度分成兩組，當(dāng)兩個(gè)組的類間方差值最大時(shí)，該灰度值t就是進(jìn)行圖像二值化最佳的閾值。

假設(shè)某圖像有L組灰度值，其取值的范圍為0～L-1,在此范圍內(nèi)選取灰度值T，將圖像劃分成兩個(gè)組G0和G1，GO組包含的像素灰度值屬于0～T，G1的灰度值屬于T+1～L-1，用N來代表圖像的像素總數(shù)，n代表灰度值為i的像素個(gè)數(shù)。

已知如下:每個(gè)灰度值i可能會出現(xiàn)的概率為p=n/ N；由GO、G1的像素個(gè)數(shù)在整個(gè)圖像中所占的百分比可得：

類間方差為：

緊接著，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺的線性回歸(Linear Classification)算法進(jìn)行尋線，線性回歸能找到視野中任何的線，但是處理速度就會很慢。

為了能更快的尋到我們想要的軌跡，把顏色調(diào)為灰度，不去處理追蹤顏色，圖像大小設(shè)成QQVGA，縮小圖像面積，來增加速度。

最后向STM32提供反饋信息，控制電機(jī)進(jìn)行自動尋徑。(2) RGB 顏色傳感器分析

顏色傳感器用白光照射到物體，物體反射回來的光由紅光、綠光、藍(lán)光和清晰(未濾光)光電二極管吸收，產(chǎn)生光電效應(yīng)，并且產(chǎn)生光電流，四個(gè)積分 ADC同時(shí)將放大的光電二極管電流轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字值。轉(zhuǎn)換周期完成后，結(jié)果被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)寄存器采用雙緩沖方式，以確保數(shù)據(jù)的完整。

圖2 顏色傳感器原理框圖

■ 1.2 數(shù)字識別設(shè)計(jì)

OpenMV是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法。OpenMV進(jìn)行數(shù)字識別的基礎(chǔ)是需要配置使用NCC模板匹配，通過NCC模板的匹配可把需要識別的數(shù)字模板圖片保存到SD卡中，然后可進(jìn)行下一步的識別。

首先將1-8字模原比例打印出來，然后用K210進(jìn)行模型訓(xùn)練，模型訓(xùn)練了幾千張模型，生成訓(xùn)練過的樣本矩陣，一般樣本值會以二維矩陣方式存在文件中，如果要將它們讀出，進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，最后生成OpenCV可以模擬的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其中包含了分別從不同的視角對圖像進(jìn)行采集入庫，在通過NCC模板匹配訓(xùn)練產(chǎn)生數(shù)字分類器，訓(xùn)練樣本值的數(shù)字結(jié)構(gòu)形態(tài)各異，所以讀入時(shí)就需要對其進(jìn)行規(guī)整化。采用的方法是首先找到數(shù)字的邊界框，再以寬或者高當(dāng)中較大的一邊為基準(zhǔn)，適當(dāng)進(jìn)行進(jìn)行縮放或拉伸，從而使其數(shù)值可以占滿所有能表示一個(gè)樣本的矩陣。

再將其圖像二值化，進(jìn)行腐蝕分割，前面通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練產(chǎn)生分類器，不過我們輸入的圖像數(shù)字值并不能直接當(dāng)作測試的輸入；圖像中數(shù)字的筆畫通常還并不規(guī)整，也有可能相互的重疊；最后就可以對選取的圖像進(jìn)行分割處理了。因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的分類器只能對數(shù)字逐個(gè)進(jìn)行識別，所以會先要把每個(gè)數(shù)字單獨(dú)分割出來，然后在分割完以后，采用前面訓(xùn)練得到的分類器對分割結(jié)果進(jìn)行識別。

圖3 OpenMV 主板圖

■ 1.3 電機(jī)驅(qū)動的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，一般步進(jìn)電機(jī)的精度會在步進(jìn)角 5%范圍之內(nèi)，不累積具體誤差。但步進(jìn)電機(jī)需要加上驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，而且驅(qū)動信號應(yīng)為脈沖類信號，沒有脈沖輸入的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果輸入端加入合適的脈沖信號，就會以設(shè)定的角度（稱為步距角）進(jìn)行轉(zhuǎn)動。電機(jī)轉(zhuǎn)動速度和采用的脈沖信號頻率成正比。改變脈沖信號的次序，就可以很方便改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。此種方式可以較為精準(zhǔn)的控制小車旋轉(zhuǎn)及行進(jìn)距離，足夠完成要求故采用此方案。

依靠編碼器反饋數(shù)值，通過速度閉環(huán)解決對小車行駛距離的把控，本小車所采用的PID算法是閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制算法之一，其全稱為比例積分微分控制。

其傳遞函數(shù)如下：

再配合OpenMV二值化處理尋線輔助和K210數(shù)字識別并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過串口反饋給主控板最終實(shí)現(xiàn)小車的精準(zhǔn)控制。通過配置串口的波特率便可以控制串口通訊的速率。

為保證數(shù)據(jù)接收正常，本設(shè)計(jì)通過對控制系統(tǒng)中的STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行編寫通信協(xié)議程序，以防止無線接收模塊在受到干擾的情況下收到錯(cuò)誤指令而使小車失控的情況發(fā)生。

2 核心模塊硬件電路設(shè)計(jì)

■ 2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源，可靠的電源方案是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)?？紤]到電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)18650鋰電池串聯(lián)產(chǎn)生電壓為12.6V作為電源為小車供電。但因?yàn)橄到y(tǒng)中使用的STM32F103RCT6與A4988電機(jī)驅(qū)動模塊邏輯電壓需要5V的電壓供電，因此需要使用DC-DC模塊將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓,本設(shè)計(jì)使用的DC-DC降壓模塊為LM2596可調(diào)電源模塊。

圖4 LM2596 可調(diào)電源模塊

■ 2.2 運(yùn)動循跡模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TCRT5000模塊作為小車的運(yùn)動循跡模塊該模塊體積小，靈敏度較高，還可以通過轉(zhuǎn)動上面的電位器來調(diào)節(jié)檢測靈敏度。TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線， TCRT5000接收到待檢測物品反射回來的紅外線并且觸發(fā)閾值LM393比較器會輸出高電平，反之輸出低電平。

由于黑色吸收光線能力較強(qiáng)而白色反射光線能力較強(qiáng)，當(dāng)TCRT5000紅外探頭置于黑線上模塊會輸出低電平，置于白色背景上的時(shí)候會輸出高電平，基于該原理故TCRT5000可以作為小車的運(yùn)動循跡模塊。

圖5 TCRT5000模塊原理圖

■ 2.3 電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)

該小車采用 A4988 驅(qū)動板與兩個(gè) 42 步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動。A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器具有過流保護(hù)的 DMOS，同時(shí)自帶轉(zhuǎn)換器；可以操作雙極電機(jī)，步進(jìn)模式中，其輸出的驅(qū)動能力是 35V 和±2A。只要在“STEP”引腳上輸入預(yù)定脈沖信號，就可以驅(qū)動電動機(jī)正常產(chǎn)生微步變化；不需要采用相位順序表、高頻率的控制行和較為復(fù)雜的程序設(shè)定界面；A4988很適合應(yīng)用在某些微處理器不可用或過載的情況下；具有控制簡單、五檔精度調(diào)節(jié)、可調(diào)電位器和可調(diào)節(jié)輸出電流、兼容3.3V和5V的邏輯輸入的特點(diǎn)。

圖6 電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

3 程序設(shè)計(jì)思路

從訓(xùn)練圖片中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的訓(xùn)練圖片，并從測試圖片中也隨機(jī)抽取一定數(shù)量的測試圖片，然后這些測試與訓(xùn)練圖片進(jìn)行KNN計(jì)算，并從這些一定數(shù)量的訓(xùn)練圖片中找出K張與當(dāng)前測試圖片KNN距離最近的照片，然后解析訓(xùn)練圖片中的內(nèi)容，從而預(yù)測出數(shù)字，并檢測結(jié)果是否正確。

在識別目標(biāo)房間號后，判斷是否為近端，如果為近端則直接第一個(gè)十字路口轉(zhuǎn)對應(yīng)方向，否則直行至第二路口，判斷是否為目標(biāo)數(shù)字。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

如果是，則轉(zhuǎn)對應(yīng)方向，否則直行至T型路口左轉(zhuǎn)，判斷判斷是否為目標(biāo)數(shù)字，如果否，則轉(zhuǎn)至T型路口對面，識別目標(biāo)數(shù)字方位并轉(zhuǎn)彎。

識別虛線點(diǎn)后停車，發(fā)送位置信號給小車2，同時(shí)檢測小車2回饋信號和藥品是否卸載，在卸載藥品完成條件下，如果檢測到回饋信號則為雙車模式，等待小車2，發(fā)送到達(dá)指定位置信號，則開始啟動返回，否則為單車模式，直接按記憶路線返回。

4 測試結(jié)果

■ 4.1 測試數(shù)據(jù)

根據(jù)預(yù)定要求及線路測試小車性能，簡單數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 送藥小車性能測試統(tǒng)計(jì)表

■4.2 測試結(jié)果分析

①單個(gè)小車運(yùn)送藥品到指定的近端病房并返回到藥房。要求運(yùn)送和返回時(shí)間均小于 20s，且標(biāo)號、停止位置、掉頭位置識別準(zhǔn)確。

②單個(gè)小車運(yùn)送藥品到指定的中部病房并返回到藥房。要求運(yùn)送和返回時(shí)間均小于 20s，且標(biāo)號、停止位置、掉頭位置識別準(zhǔn)確。

③單個(gè)小車運(yùn)送藥品到指定的遠(yuǎn)端病房并返回到藥房。要求運(yùn)送和返回時(shí)間均小于 20s，且標(biāo)號、停止位置、掉頭位置識別準(zhǔn)確。

綜上所述小車符合基本要求，且此次測試均未出現(xiàn)偏離軌道現(xiàn)象。

圖8 送藥小車實(shí)物圖