基于OPENMV的室內(nèi)掃地小車

趙飛翔+車彥潔

摘 要：本文基于開源的OPENMV機(jī)器視覺模塊設(shè)計(jì)了一種智能的掃地小車系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：中控板、圖像集成了一顆200萬像素的OV7670攝像頭，可以極高的效率完成室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的視覺識(shí)別任務(wù)處理模塊、移動(dòng)模塊、吸塵模塊、人機(jī)交互模塊。中控板采用瑞薩電子的R5F523T系列32位高性能MCU，圖像的采集與處理采用開源的OPENMV2機(jī)器視覺模塊，該模塊以STM32F427作為核心，集。經(jīng)過一系列的室內(nèi)測(cè)試之后證明，本系統(tǒng)可以極大程度的提高室內(nèi)清潔的效率，減小使用者的家務(wù)勞動(dòng)工作量。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺 OPENMV R5F523T

0、引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，都市工作生活節(jié)奏的加快，人們迫切希望有一款集成度、智能化程度高的家用掃地機(jī)器人來提高家務(wù)勞動(dòng)的效率。當(dāng)前，機(jī)器視覺學(xué)科高速發(fā)展，各種開源的機(jī)器視覺模塊層出不窮。將機(jī)器視覺與智能家居這一概念相結(jié)合，必定能誕生一些提高人們生活質(zhì)量的產(chǎn)品，有可能產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文將開源的OPENMV機(jī)器視覺模塊引入智能家居領(lǐng)域，創(chuàng)造了一款智能掃地機(jī)器車，這是一次創(chuàng)新智能家居領(lǐng)域的有效嘗試。

1、智能小車的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)概述

本系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：小車的主控部分、機(jī)器視覺模塊、動(dòng)作執(zhí)行處理模塊和人機(jī)交互模塊。其中動(dòng)作執(zhí)行模塊包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸塵系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要構(gòu)成方框圖如下圖1所示：

1.2 主控部分

主控部分采用瑞薩電子的R5F523T系列的32位高性能單片機(jī)作為核心，外圍電路包括時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，預(yù)留的SPI、IIC、UART接口等。

1.3 OPENMV的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的OPENMV機(jī)器視覺模塊的核心為STM32F427單片機(jī)，圖像采集由OV7670完成。OPENMV是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。在小巧的硬件模塊上，用C語言高效的實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法，提供了PYTHON語言的編程接口。使用者可以方便的調(diào)用各種PYTHON語言編寫的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)自己想要的機(jī)器視覺功能，為自己的產(chǎn)品和發(fā)明增加有特色的競(jìng)爭(zhēng)力。OpenMV采用的STM32F427擁有豐富的硬件資源，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴(kuò)展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量的TF卡，可以用于存放程序和保存照片等。

1.4 人機(jī)交互部分

本系統(tǒng)的人機(jī)交互部分由自制的電腦上位機(jī)和APP，掃地機(jī)器車上的WIFI無線通信模塊和串口液晶顯示屏構(gòu)成。電腦上位機(jī)或者APP按照一定的通信協(xié)議發(fā)送工作指令，掃地機(jī)器車通過WIFI模塊將指令接收并在主控中進(jìn)行處理，主控再向圖像處理模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送相應(yīng)的指令，順利完成工作。

2、智能小車的軟件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器視覺的圖像處理

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、相應(yīng)指令的輸出和執(zhí)行。

圖像的獲取實(shí)際上是將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)，它主要由三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號(hào)。視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。

本視覺識(shí)別部分采用OPENMV來實(shí)現(xiàn)，通過該模塊上的攝像頭對(duì)設(shè)定區(qū)域進(jìn)行采集，然后通過模式識(shí)別算法和形狀識(shí)別算法判斷圖像內(nèi)物體是否為垃圾，若判斷為真，則向主控發(fā)送清掃指令。

2.2 系統(tǒng)的軟件工作流程

系統(tǒng)在上電之后，用戶可以通過手機(jī)上的APP或者電腦的配套上位機(jī)來向系統(tǒng)發(fā)送工作指令，系統(tǒng)在工作時(shí)可以根據(jù)采集到的圖像自動(dòng)進(jìn)行掃地的路徑優(yōu)化，選擇最佳的行進(jìn)路徑，同時(shí)系統(tǒng)具有路徑記錄功能，在一次工作流程中不會(huì)多次經(jīng)過已清潔的路徑。

該系統(tǒng)的應(yīng)用程序流程如圖2所示。

3、結(jié)束語

本文提供了一種基于機(jī)器視覺的智能掃地小車設(shè)計(jì)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)垃圾的識(shí)別與處理，節(jié)省了用戶的家務(wù)勞動(dòng)時(shí)間，提高了用戶的生活質(zhì)量。同時(shí)可以看到，機(jī)器視覺當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域還比較局限，本設(shè)計(jì)作為機(jī)器視覺交叉領(lǐng)域的一次嘗試，是較為成功的，希望更多的研究者可以涉足到這個(gè)領(lǐng)域來。

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