基于STM32精準識別-萬向運動無線智能小車云臺

汪磊 汪志平 張家樂

摘? ?要：為了適應不同用戶和功能的需求，我們設計了對于一種基于STM32可以自動精確識別目標、自動規劃最優路線，實時避障的無線調控智能小車云臺，小車云臺可以搭載不同的功能模塊或者器件進行相應工作，例如機械臂操作、載物臺運輸、水槍滅火等等。此小車云臺具有多樣的功能、靈活方便、智能控制等特點，在某些領域有著很大的優勢。

關鍵詞：STM32? 智能控制? 小車云臺

中圖分類號：TP23;TP368? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（a）-0111-03

在很多領域中，人們都需要運用機器來代替人類去完成復雜、繁重、精細、危險甚至人類無法完成的工作，而我們基于這樣的需求，設計出一款功能多樣、可以適應不同條件道路的智能小車云臺，該智能小車云臺可以搭載使用者所需求的器件或者工具，通過這款智能小車云臺快速、平穩地去運行到指定地點工作，大大提高了工作效率，具有很強的適應性、穩定性、易操作等特點，有很高的應用場景與方式。

1? 系統設計

1.1 硬件結構設計

車體架構采用麥克納姆輪車模，整個車模的速度和運動方向是由四個麥輪的四個轉速聯合作用而實現的。麥輪車模有一套復雜的運動學和動力學模型，可以實現全向運動。對于小車的運行，可以實現精確的麥輪車模控制從而保障小車的靈活、輕巧的特點。

如圖1所示，小車的結構主要包括八個模塊：單片機控制模塊、電源管理模塊、無線傳輸模塊、攝像頭識別模塊、避障模塊、速度反饋模塊、電機驅動模塊、多功能云臺模塊、屏幕顯示模塊。

各個模塊的主要功能：

單片機控制模塊：小車所用的是恩智浦公司所生產的MK60系列單片機，作為系統的的核心模塊 ，主要是將攝像頭識別傳回的數據進行相應算法處理與速度反饋模塊進行實時相互協調，在單片機寫好的程序中，根據避障模塊的數據傳輸給四個電機相應的PWM控制信號，并且將對應數據實時通過屏幕顯示。

電源控制模塊：是整車各個模塊相互配合的保障，一個穩定、持續的電源是小車可靠運行的基礎，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系統的動力保障，可靠、穩定的電源是系統持續運行的必備條件，整個系統的供電是由7.2V鋰電池提供的，運用 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、保證小車通暢運行的主要措施，它可以實時監測小車所處環境的情況，根據障礙物的形狀和大小，使小車作出相應的運動反應，從而使小車高效率的運行。

速度反饋模塊：測量小車當前行駛速度，及時將車速信息反饋到主控芯片上，形成閉環系統，讓小車適應不同地形的措施，也是提高控制精度的重要模塊。

電機驅動模塊：是整個系統的“飛毛腿”，也是算法高效運行的基礎，良好的電機驅動更加有利于小車的快速加速和制動，是小車快速反應，保障小車進行高效率的進行運動。

多功能云臺模塊：該模塊是小車進行不同功能的多樣性替換模塊，使用者根據自身條件與需求可以方便的選取功能模塊，進行工作。

屏幕顯示調試模塊：輔助調試模塊用于建立良好的人機交互界面，是驗證編程錯誤的重要手段。它也是在運行時修改一些重要參數的便捷措施。修改一些重要參數可以大大節省調試過程，方便開發者調整和啟動。

攝像頭識別模塊：該系統選取了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算，且攝像頭可以單獨且簡單地進行目標選取，目標可多樣化如不同形狀和顏色的物體，人臉、二維碼、數字識別，紅外檢測，巡線等等目標，是小車的一雙犀利的“雙眼”。

無線控制傳輸模塊：該模塊可以使使用者遠距離進行操控小車，或者下達相應指令，還可以快捷傳輸回監測的數據和小車的實時狀況。

1.2 軟件結構設計

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。當中四路電機由主控芯片發出PWM波來控制，通過攝像頭和避障模塊確定地形和目標位置，I/0塊主要用作模塊的數據傳輸。PIT模塊作為定時器發生不同的時間段，給主控芯片處理中斷任務，速度控制服務程序都寫在了PIT中斷當中。

如圖2所示，可以看出軟件的設計由三個部分組成：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，這個可以用Python嵌入式編程。 使Python的程序更簡單。例如，直接調用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。對于這些復雜功能只要幾行代碼。同時，OpenMV采用著重疊可能的設計，能追加各種各樣的shield。

控制算法：依據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，用于閉環驅動四個電機正反轉向和轉速大小。調整四個PWM參數，即可方便地實現小車的速度快慢（和四種運動方向的控制。通過攝像頭反饋的車輛方向修正參數 。由于麥輪車模四個麥輪既控制車輛運動速度，又控制車輛運行方向，因此要把車輛方向修正參數加到車子控制函數的四個電機控制PWM參數上，從而實現小車精確的控制運行。

速度反饋：為了達到更好的控制效果，對速度進行閉環控制是必要的。這里的速度控制策略是指小車達到設定的速度去運行—設定速度主要由道路的陡緩、直彎道、粗糙程度等決定，將情況實時不斷地反饋給您主控芯片，結合相應的算法去實現對四個電機的控制。

2? 應用

（1）一種移動式快遞分揀搬運小車：隨著電商的發展，快遞在人們的生活中占得比例越來越重，通過智能小車云臺對各個快遞上的二維碼識別從而分揀運輸到指定的地點，幫助快遞員對快遞進行分揀和搬運，對于減輕快遞員的工作強度，提高工作效率具有重要意義，一定程度上減少出錯率。

（2）基于機械臂的智能小車：隨著科學技術的發展，人類社會正朝著自動化、智能化的方向快速發展。另外，由于人手的局限性，且大多數機械手臂都具有很大的局限性，往往只能固定地進行工作。所以機械臂可以搭載智能小車云臺，它可以在控制器發出指令后，通過終端無線連接發送給機械臂小車，小車根據指令與周圍環境自動處理指令并執行與之對應的動作，此過程中便不再人為參與。

（3）智能滅火小車：隨著社會與國家發展，現代火災的危害較大且對于消防員也是一種生死考驗，于是自動滅火裝置可以搭載我們的智能小車云臺，消防員可以通過終端控制已經加裝防護小車進入火場，通過紅外熱成像攝像頭去快速定位被困者，還可以實時傳輸火場數據，使消防員快速有效地進行滅火，從而最大限度地減小人員傷亡和財產損失。

3? 結語

這款多功能智能小車云臺其獨特的性能與特點創造了一個空白市場，無論是民用、商用、軍用等等，都具有其強大的適用性能，前景廣闊。這款云臺操作簡易，可以通過可視化屏幕進行人機交互，實時進行調參，初始化，還可以遠距離進行無線傳輸、調控，單獨通過攝像頭進行目標的確定，其操作只需幾句簡單的語句即可實現。其車載云臺根據使用者需求隨時隨地簡易更換，達到不同的功能需求，四路電機控制小車，靈活穩定的運行滿足不同使用者對于不同地形的要求。總之，小車云臺可以讓使用者高效率完成復雜、危險、繁重的工作與要求。

參考文獻

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