基于STM32的雙攝像頭圖像采集自主避障機器魚設計

西南民族大學電氣信息工程學院 楊旭瓊 賈雪蕾 鄧彥松

作為一種新的智能機器，機器魚具有機動性、高效性、低噪性等優點，隨著它的問世和近幾年的不斷發展，機器魚已經運用到了很多領域，如水域質量檢測，海洋資源探測和水下地形勘探等。目前機器魚類型主要有遙控機器魚，語音機器魚及自主避障機器魚等。這里提出一種基于紅外的自主避障機器魚進行圖像采集的方案[2]。

1.系統硬件設計

整個系統由四個部分組成，分別是雙攝像頭組成的圖像采集模塊、由STM32微控制器組成的CPU模塊、彩色液晶顯示模塊、機器魚硬件平臺模塊、紅外測距避障模塊。硬件構成框圖如圖1所示。

工作流程是：首先通過紅外傳感器傳回障礙物距離的模擬電壓信息，通過AD芯片轉換后傳送給CPU進行判斷，根據障礙物距離由CPU發出指令，控制機器魚硬件平臺做出動作，與此同時雙攝像頭將采集到的圖像信息存儲在存儲器中，并且機器魚的相關數據顯示在顯示屏上（如速度、方向等）。

1.1 雙攝像頭模塊

雙攝像頭是系統的信息采集部分，而且考慮到攝像頭在機器魚的硬件平臺上工作，應該要求是單電源、抗噪能力較強、低功耗，以及以此同時的價格最好是相對較低。綜合以上的要求，決定使用OV7670攝像頭，它是一種CMOS圖像傳感器，其電源消耗量低，體積小，適合本系統對于元件的要求。攝像頭的放置是兩個攝像頭相互背對，布局如圖2所示；這樣布局的優勢在于：雙攝像頭視角更為寬廣，可以一次性采集到周圍環境的圖像數據[1]。

1.2 主控器模塊

在主控制器的選擇上，采用STM32F-103ZET6芯片，此芯片具有72MHz的主頻，32bit的位寬，具有從256K至512K字節的閃存程序儲存器和64K字節的SRAM，數據處理能力強，引腳資源豐富，有多達4個16位定時器，每個定時器有多達4路PWM波，適可合于精確控制舵機。強大的數據處理能力和較高的主頻適合于快速的完成最優路徑選取的算法[3]。

1.3 機器魚硬件平臺模塊

機器魚舵機組是由三個舵機構成，以魚體波函數為核心算法的智能機器，在舵機的配合運作下完成相應動作，進而來實現仿生機器魚的游動。其中，單片機通過所執行的程序計算出各個關節的轉動角度，以此產生十五位的不同占空比的PWM波，控制舵機旋轉，繼而控制“魚體”擺動[5]。

1.4 紅外測距避障模塊及AD芯片

圖1 系統硬件結構圖

圖2 機器魚布局

圖3 AD0809

圖4 電源供電模塊

圖5 主程序流程框圖

圖6 紅外模塊流程圖

紅外測距壁障模塊采用的傳感器是夏普公司的GP2Y0A21YKIR，AD芯片采用的是常用的8位的AD0809芯片，測距精度為0.3cm左右。GP2Y0A21YKIR是夏普公司推出的一款性價比高、最常用的紅外測距傳感器、其與GP2D12測量射程相同，但探測面積略有增加，可用來對物體的距離進行測量，實現機器人的避障功能。它不但體積小、功耗低、價格便宜，而且測距效果好，適合機器人使用；ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。其硬件原理圖如圖3所示。

1.5 電源模塊

電源部分為整個系統提供工作電壓，這個模塊由4節可充電電池和穩壓電路組成。四節可充電電池在沖滿電時電壓可以達到6.2V左右，所以為了得到5V的電壓我們采用AMS1117穩壓芯片。AMS1117是一個正向低壓降穩壓器，在1A電流下壓降為1.2V，內部集成過熱保護和限流電路，是電池供電的最佳選擇。AMS1117有兩個版本：固定輸出版本和可調版本，這里采用固定輸出電壓為3.3V、5.0V的兩個版本，分別為電路部分和舵機供電。硬件電路如圖4所示。

2.系統軟件設計

芯片通過AD管腳對紅外傳感器的發射模塊傳送命令。通過返回光強產生相應的模擬電壓，經過A／D轉換器后變成十位的二進制數據量，通過算法計算出到障礙物的距離。芯片判斷計算出的距離與預設值的邏輯關系，根據結果判斷是否執行相應的程序進行躲避障礙物的動作。而雙攝像頭分別采集機器魚前后視覺狀況，經處理后返回給觀察人員，以便了解魚體周圍環境狀況。具體流程框圖如圖5所示。

2.1 紅外模塊

紅外傳感器是一種比較有效地接近覺傳感器，利用紅外線的定向傳播和反射能力檢測前方是否有障礙物。由于光的方向性好，紅外傳感器具有角度分辨率高，反映靈敏，結構簡單等優點。它的工作原理是：當有障礙物的時候，接收電路端口輸出的為高電平，沒有障礙的時候，端口輸出的為低電平。通過高低電平的判斷來識別是否有障礙物。[4]

紅外測距傳感器的信號經過AD轉化后，傳給單片機，單片機根據傳回數據計算出障礙物與魚體之間的距離，在不同的距離段做出不同的動作。與此同時，雙攝像頭的數據進過STM32的DMA總線，存儲至存儲器中，以待調用。紅外模塊流程如圖6所示；核心程序如下：

2.2 攝像頭模塊

攝像頭屬于字符類設備，所以能夠像字節流一樣被程序訪問，而且只能夠按順序讀寫[2]。同時，雙攝像頭在多功能機器魚（如：潛水類機器魚）中，可以選擇其他安裝方式（如：一上一下），以便對魚體的環境狀況進行更多視角的觀察。

3.結束語

本文介紹了借助雙攝像頭采集圖像信息，利用紅外測距實現機器魚智能避障的新方法。其中通過雙攝像使得采集的圖像數據更為全面，為后續自主視覺的發展提供了一定的幫助。最后，相信隨著科研的進步，機器魚的研究與設計會更加智能化，并給人類在海洋發展等方面提供更多的資源。

[1]樓永堅,曹向群.CMOS圖像傳感器的性能及應用發展[J].杭州電子工業學院學報,2003(02).

[2]黃福勇,向偉,楊洋.基于ARM自主避障機器魚設計[J].電子元器件應用,2012(07).

[3]萬少云,向強.基于TMS320F2812的自主視覺機器魚控制系統設計[J].西南民族大學學報自然科學版,2011(37).

[4]桑海泉,王碩,譚民,張志剛.基于紅外傳感器的仿生機器魚自主避障控制[J].系統仿真學報,2005(6).

[5]丁俐,余瑾,吳垠,王偉東.基于PIC單片機的仿生機器魚的舵機控制[J].微計算機信息(嵌入式與SOC),2010(26).