基于高速微處理器及智能攝像頭控制的循跡機器人設(shè)計與實現(xiàn)

范海心 朱海龍 程松仁 陶應(yīng)誠

摘要：本項目選用32位高速微處理器MK66FX，采用麥克納姆輪全向車模，為其設(shè)計了以單片機為核心的主板和電機驅(qū)動等硬件電路，再通過軟件編程使其運行。在電機上安裝編碼器測速，以此進行閉環(huán)控制。循跡的功能由 OpenMV 模塊來實現(xiàn)。經(jīng)過了圖像識別和路徑擬合，接下來使用 PID 算法控制輪子差速。如果有陽光直射，通過在攝像頭上增加濾光片，并對圖像進行濾波處理。

關(guān)鍵詞：麥克納姆輪;單片機;OpenMV;圖像識別

21世紀是信息化和自動化的世紀，人們的生活在方方面面都得到了極大的便利。隨著攝像頭和處理器性能的提高、圖像處理算法的進步，機器視覺在很多領(lǐng)域已經(jīng)超過人眼識別的效率和準確率。以圖像處理為核心設(shè)計的智能小車，正是無人駕駛汽車的初步實現(xiàn)。本文主要介紹智能小車的研究與設(shè)計，分為硬件設(shè)計和軟件編程進行闡述。

1.? 設(shè)計目標和研究方向

設(shè)計一輛能夠自動尋找目標，對其快速定位繼而移動到附近的車模， 并在追尋目標過程中避開前方障礙。為了完成此目標，一是選取合適的車模、傳感器、處理器;二是完成硬件電路的設(shè)計、制作和焊接;三是硬件的安裝和機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整;四是對軟件的編程，以實現(xiàn)和優(yōu)化功能。

2.? 系統(tǒng)層面方案設(shè)計

追尋目標和避開障礙的任務(wù)，對車模的加減速和靈活特性有著很高的要求，因此選取基于麥克納姆輪，可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式的全方位式移動車模：北京科宇公司出品的 H 車模，材質(zhì)堅固，尺寸為25*20*16.9cm，小巧而輕便，非常適合用于此項目的開發(fā)設(shè)計。

由于需要對速度進行精確控制，高精度的速度測量和盡可能短的控制周期，傳統(tǒng)流行的8位單片機的計算能力和主頻難以滿足。經(jīng)過對價格、開發(fā)成本、性能的綜合考慮，我們采用恩智浦公司的32位單片機MK66FX 為核心微處理器。該單片機的主頻最高可達200Mhz;144腳的封裝，IO 資源豐富;使用 C 語言編程，官方配備各個模塊的庫函數(shù)，開發(fā)效率高。

圖像處理采用 OpenMV 模塊，該模塊使用 MicroPython 編程，可以完成識別目標的任務(wù)后通過串口發(fā)送結(jié)果到單片機，攝像頭和單片機各司其職，接口變量簡潔清晰，做到了設(shè)計上的高內(nèi)聚，低耦合。需要避開的障礙各種各樣，統(tǒng)一使用攝像頭識別幾乎是不可能完成的，因此使用紅外測距模塊，安裝在車模前方，以距離判斷是否有障礙。

綜上，該系統(tǒng)由三個部分組成：檢測采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)系統(tǒng)包括：攝像頭和紅外測距儀對外界信息的采集、編碼器對輪子轉(zhuǎn)速的采集。信號處理部分采用是恩智浦公司的 MK66FX 作為主控芯片，對取得的信號進行快速處理。控制系統(tǒng)是通過主控芯片輸出的信號來控制電機的轉(zhuǎn)速，四個麥克納姆輪差速，速度融合實現(xiàn)全向移動。

3.? 電路硬件設(shè)計

3.1???? 電源管理

電池使用2S 航模電池，電池電壓直接通過驅(qū)動模塊給電機供電;3.3V電壓是保證 K66芯片以及編碼器等外設(shè)的供電需求，應(yīng)用線性穩(wěn)壓芯片代替開關(guān)電源芯片，電路供電更加穩(wěn)定，AD 采集更加準確，我們運用了 TPS7333線性穩(wěn)壓芯片，效果比較穩(wěn)定。5V 電壓是保證 OpenMV 和測距模塊的供電需求。采用兩塊 TPS7350線性穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。

3.2???? 外設(shè)選取

為了減少車輛負載，測速模塊采用體積較小的512線 mini 編碼器;在調(diào)試時必要的會需要對行進時實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，運用藍牙模塊可以很方便的實現(xiàn);OLED 屏幕對菜單顯示，配合五向按鍵可以方便調(diào)節(jié)參數(shù)。實際設(shè)計中我們使用了三個 GP2D12紅外傳測距感器，用來判斷車前進方向是否有障礙物。

3.3???? 主板設(shè)計

主板以 MK66FX 核心板為中心，引出需要用到的引腳，設(shè)計各個外設(shè)需要的接口電路，再放置前文提到的電源管理芯片，為單片機和外圍器件供電。

3.4???? 驅(qū)動板設(shè)計

雙路 BTN7971b 組建全橋電機控制電路，最大電流可達70A，很好地滿足要求。并利用74ls244邏輯緩沖芯片將 PWM 波與單片機隔離，有效保護單片機。由于車模有四個電機，需要8個 BTN7971b 芯片來搭建驅(qū)動板。

3.5???? 機械結(jié)構(gòu)和安裝

H 型車模預(yù)留有電池的安裝槽，且貼合了降低重心、貼近地盤的要求。H 型車模共四個電機，因為電路板體積的限制，我們設(shè)計了兩塊驅(qū)動板以驅(qū)動電機，分別靠近電機安裝在車模的頭部和尾部，至于主板直接安裝在電池上方。驅(qū)動板和主板都使用 M3銅柱和螺母固定。為了更好地固定編碼器，我們制作了支架，將其固定在電機的車輪側(cè)邊。

攝像頭越高，視野越寬廣，利于處理;然而，攝像頭越高，會導(dǎo)致攝像頭車模行駛時的抖動，影響控制精度，不利于車模行駛。經(jīng)過各種嘗試，把攝像頭安裝在20厘米處，實際效果較好。

4.? 軟件編程實現(xiàn)效果

4.1???? 底層代碼

商家在出售核心板時贈送芯片的模塊使用例程和庫函數(shù)，大大方便了我們的開發(fā)和使用。首先閱讀和調(diào)試例程，學會使用庫函數(shù)，將控制的引腳對應(yīng)到自己設(shè)計制作的主板上的實際引腳測試功能。測試完所有的所需功能后，為了使代碼的邏輯更加清晰，可讀性和可維護性更強，將庫函數(shù)進行二次封裝，實現(xiàn)高度集成的函數(shù)。

4.2???? PID 控制

每個電機的實際性能不同，每個輪子的實際阻力也不同，若簡單的采用開環(huán)控制，給所有電機相同的占空比，就會出現(xiàn)實際速度不同的情況，即目標速度和設(shè)定速度有差異;再加上麥克納姆輪的特性，速度不正確，方向也不會正確，所以需要通過閉環(huán)動態(tài)控制，使輪子可以實時達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速。電機控制一般采用PID 算法，單片機這種離散系統(tǒng)適用的 PID 算法有增量式PID 和位置式 PID。由于增量式 PID 相對于位置式PID 有明顯的優(yōu)勢，所以我們選擇增量式 PID 作為速度控制算法，用編碼器獲取速度作為反饋量，每5ms 實現(xiàn)一次閉環(huán)控制。

4.3???? 圖像處理

我們采用 OpenMV 來采集場地中的目標信息，兼顧圖像質(zhì)量和芯片處理速度，設(shè)置圖像分辨率為彩色 QVGA，采集到的圖像大小為320*240，幀率約為30。攝像頭采集的圖像可能受各種因素影響，要通過調(diào)節(jié)曝光時間、像素時鐘等方式獲得最佳圖像。利用 OpenMV 的彩色識別算法，通過細調(diào)LAB 閾值來捕獲目標發(fā)出的紅光，提取所捕獲到的紅色色塊的中心坐標和色塊大小發(fā)送給單片機。

4.4???? 路徑規(guī)劃

中心坐標即目標的坐標來確定小車前進方向，色塊大小即小車距離目標的距離大小的反映。為了避免撞到目標，距離遠時速度較快，距離近時速度較慢，并在抵達目標后停下，尋找下一個目標。如果在追尋目標的過程中遇到障礙物，先橫移避開障礙物，直到檢測不到障礙物后返回原先路徑。

5.? 結(jié)語

本文從整體、硬件、軟件方面介紹了車模的設(shè)計和制作方案。硬件方面，我們綜合考慮車模的需求設(shè)計了穩(wěn)定可靠的電路和較為完善的機械結(jié)構(gòu)。軟件方面我們力求優(yōu)美的行駛路徑，多次優(yōu)化識別算法和避障策略，不斷地調(diào)試和修改參數(shù)，最終讓車模可以較好的完成任務(wù)。

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創(chuàng)新訓(xùn)練項目：基于高速微處理器及智能攝像頭控制的循跡機器人設(shè)計與實現(xiàn)（編號：201910378204）