基于STM32的智能移動攝影機器人

隨著社會和時代的發展，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者的青睞。據了解，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展過程中，機器視覺憑借其易于實現信息集成、易于實現自動化、連續性強、非接觸等優勢逐漸引起國內外生產制造企業的重視。

針對自媒體人中缺乏專業的攝影人員，且傳統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，即可不用再發出其他的指令。它能獨立完成一個攝像師的工作，并把拍攝的數據文件將自動儲存在電腦里。

1 控制系統總體設計方案

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。

（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系統，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人臉識別，物體識別追蹤功能，其功能的變化主要依據于圖像處理得到的信息，轉動方向由系統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通信協議，發送信號到stm32芯片上，接收數據后控制驅動，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卡模塊只需要少數幾個主控IO口控制SDIO即可將數據存儲進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據存入電腦，通過場景編排和路徑規劃算法實現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.項目創新點

（1）實現拍攝器材的無軌化，解決了拍攝場地的諸多限制問題。

（2）機器人成本較低，可節約大量人工成本和器材設備費用。

（3）機器人在外拍攝可發出定位信號，這樣來達到尋回機器人目的。

（4）人工緊急制動功能，在拍攝環境遭遇突發情況時，停止作業并安全返回。

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），后發現是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，代碼不統一實現，后通過模塊化編程實現，將不同模塊的初始化及驅動過程封裝在不同的文件中，在主函數文件中只實現調用的過程。

總結與展望：隨著科技的不斷進步，機器視覺系統在國內電子行業、汽車行業、印刷行業等領域中發揮了越來越重要的作用，并逐漸開始在其他傳統設備制造行業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。另外在傳統的野外野生動物攝影攝像中，不僅環境危險，而且拍攝人員持續工作時間長，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新創業訓練計劃資助項目

（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。