智能識別送貨機器人

湖北經濟學院信息與通信工程學院 楊小龍 唐 傲 孫少聰 柳超凡 余 鵬 張 澳 羅晶凡 余 祥

結合2020年新冠狀病毒傳染病的流行，醫院很多醫護人員需要接觸和配送藥品與生活物資，這樣增加了醫護人員的傳染幾率，為了避免讓人直接接觸傳染源，本項目采用STM32單片機實現智能識別的配送小車，該小車的主要目的是代替人工完成一些帶有危險性的配送，例如送藥，送物資進診室等等，本小車可以實現智能識別，識別物品的特征，并與目的地的特征對號入座，可以改變輸送的方式，應用于更多的領域和范圍，前景廣闊。

1 課題簡介

2020年，湖北武漢發生重大疫情，一時間官方緊急封城，各地的醫護人員馳援武漢，一方有難，八方支援，在抗疫一線與病毒做著頑強的斗爭，與此同時，他們的家人，各地的人民，最擔心的就是他們自身的健康和是否會感染新冠疫情，本項目旨在最低限度的減少醫護人員這些一線奮斗的抗疫戰士的感染率，讓他們可以做到智能操控小車完成送藥，送物資的活動，最大可能避免直接性接觸，從而讓醫護人員的安全得到進一步的保障。在課題后期研究當中期望加入智能化控制以及全景設備，使系統具有更高的智能性和更全面的信息采集，從而實現對人力資源的大幅度節約，讓疫情發生后的損失更為減少，為醫護安全提供進一步的保障。

2 系統方案設計

本系統單片機由STM32單片機設計，硬件方面由驅動控制，WiFi遙控，OpenMV攝像頭，以及舵機構成的機械臂模塊配合使用實現系統功能，軟件方面利用了PID控制技術來實現機械臂的自由旋轉以及識別到目標后的下一步動作。同時加的WiFi技術實現超遠距離遙控，實現在2000m以內可以任意指揮智能車的行動，保持智能車的穩定性和可控性。

2.1 系統簡介

智能送貨機器人系統由驅動控制模塊，WiFi遙控模塊，OpenMV視覺處理模塊，以及舵機構成的機械臂模塊四部分構成，搭配外擴控制以及電源管理，實現小車的精確控制。系統流程框圖如圖1所示。

圖1 系統流程框圖

2.2 器件的選型與比較

主控單片機選型：

系統單片機采用STM32F407V型號開發板，此開發板的優勢在于采用Cortex M4內核，帶FPU和DSP指令集，運行速度高速；STM32F4系列擁有192KB的片內SRAM，集攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高速OTG、真隨機數發生器、OTP存儲器為一體，并且STM32F4具有更低的ADC/DAC工作電壓、更快的D/A速度、更低的ADC/DAC工作電壓、32位的定時器、帶日歷功能的實時時鐘（RTC）、IO口的復用功能也大大提升以及更快的USART和SPI通信速度，與此同時STM32F4最高運行頻率可達168Mhz，對于我們設計飛控更是綽綽有余，所以我們選擇F4系列作為主控，一是利用我們本身對STM系列有學習基礎，其二在于性能各方面指標能夠完美契合項目要求。

舵機的選型：

舵機有內置的控制電路，它們的尺寸雖然很小，但輸出力夠大。像Futaba S-148這樣的標準舵機能提供0.3N·m的扭矩，相對于它的外形大小來說這已經足夠強大了。同時，舵機消耗的能量與機械負荷成正比。因此，一個輕載的舵機系統不會消耗太多的能量。考慮到本項目需要提起物資等生活必需品，我們選擇了S-148型舵機。

WiFi模塊的選型：

ESP8266是由樂鑫公司出品的一款物聯網芯片，價格較低，性能穩定。該芯片有三種工作模式，以AT指令進行操控。鑒于我們在學校中就利用ESP8266進行過項目學習以及實地并不需要太遠的操控距離，所以我們選擇了ESP8266WiFi模塊。

攝像頭模塊選型：

視覺處理主要使用OpenMV實現，OpenMV是一個開源可編程攝像頭模塊，利用MicroPython語言，而且攝像頭本身內置STM32H7芯片，方便我們進行編程和學習，從而更好地實現目標的確定識別。視覺處理模塊的用途主要用于對醫院視野的掌握和病房門牌號的識別，搭配定點模塊實現對視野大范圍的把控，對目標物能有一個迅速的識別。

3 智能送貨機器人系統的軟、硬件設計

3.1 軟件程序設計

（1）軟件程序設計流程（圖2）

圖2 程序流程框圖

3.2 硬件電路設計

舵機控制原理：

舵機控制模塊是控制系統的關鍵因素。通過PID算法傳回的數據，它在每個控制周期內解析數據并對OpenMV傳回的姿態信息進行實時反饋，得到小車的位置信息和工作狀態，計算出控制量，從而控制驅動四個舵機工作，保持小車穩定正確前進。

電源管理：

電源由一塊12.3～13.8V的航模電池提供，給四個舵機供電，實現四個方向自由度的自由轉變，同時滿足實時小車狀態的調整以及對小車工作時長的長待機功能。

4 系統調試、測試結果及分析

4.1 系統調試結果

系統調試完成后，每個方向的舵機能完成360°自由度的翻轉和抓取動作，攝像儀模塊能夠通過OpenMV傳回視覺數據，實時反饋所看到的景象以及識別到目標物體，做出反應動作，送出所需的貨物以及對上位機進行反饋，讓使用者了解到現在的送貨情況，系統調試完成無誤。

4.2 測試結果

經過程序編寫和調試之后我們對攝像頭的數據結果進行了分析與糾正，OpenMV可以正常的識別目標物體，實驗中用藍色門牌作為標志進行目標識別，結果發現OpenMV攝像頭能夠準確的捕捉到目標物體。OpenMV視覺處理模塊數據如圖3所示。

圖3 OpenMV視覺處理模塊數據圖

4.3 結論

項目測試結果基本符合我們的預期，我們也期望在后期的學習研究中對系統進行進一步的完善。后期我們擬在機器人上加入一個人機交互設備，讓機器人在進入病房的時候，病人有需要的話對攝像頭直接喊話以及按機器人上的按鍵，告知醫護人員自己現在所遇到的問題，及時讓醫護人員收到病人的消息以及出現的問題。為處理事務提供便捷。一方面既能提供安全系數，另一方面能夠將智能化的優勢最大化，讓醫院和病人都能享受到二十一世紀高科技時代的便利，推動信息化時代的發展。