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前 言

大家好，我是張巧龍，今天給大家?guī)?lái)關(guān)于21年F題的分享：智能送藥小車，出了這個(gè)題目之后，咋一看，好像比較簡(jiǎn)單。

不過(guò)大家慢慢做，越往后做越發(fā)現(xiàn)，坑越來(lái)越多。

第一個(gè)問(wèn)題：數(shù)字識(shí)別率不高，我對(duì)識(shí)別率高低的看法：只要不到100%，哪怕出現(xiàn)1%的誤識(shí)別率，我認(rèn)為都不行，為什么？

因?yàn)?#xff0c;題目明顯給出說(shuō)明，每個(gè)項(xiàng)目只測(cè)試一次。也就是說(shuō)，小車一旦出錯(cuò)，就0分，沒(méi)有再測(cè)的機(jī)會(huì)。

第二個(gè)問(wèn)題：小車巡線的問(wèn)題，一談到巡線，大家想到的肯定是，循跡模塊（顏色識(shí)別傳感器），這個(gè)沒(méi)問(wèn)題，可以用，也可以用攝像頭來(lái)尋跡。

不知道大家是否有發(fā)現(xiàn)過(guò)，車運(yùn)動(dòng)的軌跡都是直線，轉(zhuǎn)彎都是90度，循跡模塊或者攝像頭尋跡確實(shí)可以用。

但運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要一直巡線，對(duì)攝像頭或者是循跡模塊的要求比較高，環(huán)境的光線要求比較穩(wěn)定。

為了提高巡線的穩(wěn)定性，我認(rèn)為可以直接采用電機(jī)編碼器來(lái)寫閉環(huán)，將小車運(yùn)動(dòng)的路程直接固定死，每次都是走固定直線距離后再識(shí)別數(shù)字，拐彎也可以直接固定，畢竟都是90度。

當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程中，肯定需要顏色識(shí)別模塊或者攝像頭尋跡來(lái)做輔助。

來(lái)吧，看視頻展示，文字內(nèi)容在后文。

【全國(guó)一等獎(jiǎng)】F題：智能送藥小車

對(duì)了，由于是電機(jī)直接閉環(huán)，所以本視頻中小車的運(yùn)動(dòng)速度還可以繼續(xù)提升。

02

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系統(tǒng)方案

2.0 摘要

以STM32單片機(jī)為核心、結(jié)合視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)速度閉環(huán)來(lái)控制智能送藥小車，并實(shí)現(xiàn)雙車在預(yù)定軌道上送藥，取藥。

基本模塊主要包括主控、攝像頭、直流減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)線傳輸模塊，本設(shè)計(jì)主控選擇STM32F103RCT6。

在攝像頭識(shí)別中，采用雙攝像頭方案，K210用于識(shí)別數(shù)字和尋找對(duì)應(yīng)數(shù)字并通過(guò)串口向主控發(fā)送識(shí)別信息，從而進(jìn)入對(duì)應(yīng)的病房，OpenMV用來(lái)尋跡，防止小車偏離預(yù)定軌道；

小車1，2通過(guò)ZiGBee來(lái)完成雙車通信，實(shí)現(xiàn)雙車協(xié)同運(yùn)送的效果；通過(guò)電機(jī)編碼器反饋的信息設(shè)計(jì)小車的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸距離的精準(zhǔn)控制。

經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)具有識(shí)別速度快，識(shí)別精準(zhǔn)度高，運(yùn)輸穩(wěn)定且效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.1?方案設(shè)計(jì)

2.1.1 控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，將小車系統(tǒng)分為4個(gè)基本模塊，包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、視覺(jué)檢測(cè)和識(shí)別模塊，無(wú)線通訊模塊，主控選擇STM32F103RCT6，通過(guò)速度閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。

視覺(jué)識(shí)別中，尋跡采用OpenMv攝像頭，數(shù)字識(shí)別采用K210攝像頭。

無(wú)線通信選擇ZIGBEE實(shí)現(xiàn)兩車之間的通訊，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1.2?機(jī)械結(jié)構(gòu)方案

由于題目要求小車的長(zhǎng)寬高不能超過(guò)25cm*20cm*25cm，再加上賽道的寬度只有30cm,為了保證轉(zhuǎn)向的時(shí)候能夠避免碰到黑實(shí)線，我們采用雙驅(qū)動(dòng)置于車身中間，車身前后分別裝置牛眼輪便于轉(zhuǎn)向。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，兩個(gè)攝像頭安裝于車頭前端，OpenMv在下，K210在上，以便于識(shí)別和檢測(cè)。

由于識(shí)別數(shù)字時(shí)數(shù)字寬度較大，K210無(wú)法全部識(shí)別到數(shù)字，所以搭配舵機(jī)，實(shí)時(shí)調(diào)整攝像頭的位置來(lái)達(dá)到擴(kuò)大視野范圍的目的。

2.2?數(shù)字識(shí)別方法

首先將1-8字模原比例打印出來(lái)，然后用K210進(jìn)行模型訓(xùn)練，模型訓(xùn)練了幾千張模型，生成訓(xùn)練樣本矩陣，一般樣本是以二維矩陣的方式存在文件當(dāng)中，現(xiàn)在要將它們讀出來(lái)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，然后生成OpenCV能理解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

其中包含了分別從不同的視角對(duì)圖像進(jìn)行采集入庫(kù)，在通過(guò)NCC模板匹配訓(xùn)練產(chǎn)生數(shù)字分類器，訓(xùn)練樣本中的數(shù)字位置形態(tài)各異，因此讀入時(shí)需要進(jìn)行規(guī)整化。

主要方法是先找到數(shù)字的邊界框，然后以寬和高中大的一邊為基準(zhǔn)進(jìn)行縮放和拉伸，從而使得其可以占滿整個(gè)表示單個(gè)樣本的矩陣。

再將其圖像二值化，進(jìn)行腐蝕分割，前面通過(guò)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了分類器，但我們輸入圖像中的數(shù)字并不能直接作為測(cè)試輸入。圖像中的數(shù)字筆畫有時(shí)并不規(guī)整，還可能相互重疊。

接下來(lái)，就可以對(duì)圖像進(jìn)行分割了。由于我們的分類器只能對(duì)數(shù)字一個(gè)一個(gè)地識(shí)別，所以首先要把每個(gè)數(shù)字分割出來(lái)。分割完后就可以應(yīng)用我們前面訓(xùn)練好的分類器對(duì)分割結(jié)果進(jìn)行識(shí)別。

2.3?自動(dòng)尋徑方法

首先對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理，圖像采集和傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生噪點(diǎn)，通過(guò)圖像灰度化和圖像濾波減小對(duì)圖像處理的干擾。

其次攝像頭采集跑道上的紅線，通過(guò)硬件二值化處理，這里用到最大類間方差法(Otsu)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像二值化閾值選取：

Otsu算法的基本思想是用某一假定灰度值t將圖像的灰度分成兩組，當(dāng)兩組的類間方差最大時(shí)，此灰度值t就是圖像二值化的最佳閾值。

設(shè)圖像有L個(gè)灰度值，取值范圍在0~L-1,在此范圍內(nèi)選取灰度值T，將圖像分成兩組G0和G1，GO包含的像素的灰度值在0~T，G1的灰度值在T+1~L-1，用N表示圖像像素總數(shù)，n, 表示灰度值為i的像素的個(gè)數(shù)。

已知:

每一個(gè)灰度值i出現(xiàn)的概率為p=n/ N;假設(shè)GO和G1兩組像素的個(gè)數(shù)在整體圖像中所占百分比可得：

緊接著，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的線性回歸(Linear Classification)算法進(jìn)行尋線，線性回歸能找到視野中任何的線，但是處理速度就會(huì)很慢。

為了能更快的尋到我們想要的軌跡，把顏色調(diào)為灰度，不去處理追蹤顏色，圖像大小設(shè)成QQVGA，縮小圖像面積，來(lái)增加速度。

最后向STM32提供反饋信息，控制電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)尋徑。

2.4 小車電機(jī)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制算法

依靠編碼器反饋數(shù)值，通過(guò)速度閉環(huán)解決對(duì)小車行駛距離的把控，本小車所采用的PID算法是閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制算法之一，其全稱為比例積分微分控制。

其傳遞函數(shù)如下：

再配合OpenMv二值化處理尋線輔助和K210數(shù)字識(shí)別并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)串口反饋給主控板最終實(shí)現(xiàn)小車的精準(zhǔn)控制。

通過(guò)配置串口的波特率便可以控制串口通訊的速率。

為保證數(shù)據(jù)接收正常，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)中的STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行編寫通信協(xié)議程序，以防止無(wú)線接收模塊在受到干擾的情況下收到錯(cuò)誤指令而使小車失控的情況發(fā)生。

03

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程序設(shè)計(jì)

3.1??程序設(shè)計(jì)思路

3.1.1 小車1的程序設(shè)計(jì)思路

在識(shí)別目標(biāo)病房號(hào)后，判斷是否為近端，如果為近端則直接第一個(gè)十字路口轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)方向，否則直行至第二路口，判斷是否為目標(biāo)數(shù)字。

如果是，則轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)方向，否則直行至T型路口左轉(zhuǎn)，判斷判斷是否為目標(biāo)數(shù)字，如果否，則轉(zhuǎn)至T型路口對(duì)面，識(shí)別目標(biāo)數(shù)字方位并轉(zhuǎn)彎。

識(shí)別虛線點(diǎn)后停車，發(fā)送位置信號(hào)給小車2，同時(shí)檢測(cè)小車2回饋信號(hào)和藥品是否卸載，在卸載藥品完成條件下，如果檢測(cè)到回饋信號(hào)則為雙車模式，等待小車2，發(fā)送到達(dá)指定位置信號(hào)，則開(kāi)始啟動(dòng)返回，否則為單車模式，直接按記憶路線返回。

圖1 ?小車1程序設(shè)計(jì)流程圖

3.1.2 小車2的程序設(shè)計(jì)思路

發(fā)送反饋信號(hào)給小車1，開(kāi)始識(shí)別目標(biāo)病房號(hào)，檢測(cè)是否裝藥，如未裝藥且接收到小車1位置指令，則取藥模式，運(yùn)行到T型路口處小車1對(duì)面支路并識(shí)別是否為目標(biāo)數(shù)字，如果否，則轉(zhuǎn)至T型路口對(duì)面，識(shí)別目標(biāo)數(shù)字方位并轉(zhuǎn)彎，識(shí)別虛線點(diǎn)后停車。

如裝藥且接收到小車1位置指令，則送藥模式，小車2運(yùn)行到指定位置停車且發(fā)送反饋信號(hào)，當(dāng)接收到小車1繼續(xù)運(yùn)行指令則倒車回十字路口識(shí)別目標(biāo)數(shù)字方位并轉(zhuǎn)彎，識(shí)別虛線點(diǎn)后停車。

圖2 ?小車2程序設(shè)計(jì)流程圖

04

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總結(jié)

此方案，可行性較高，關(guān)鍵點(diǎn)有3個(gè)，分別是電機(jī)編碼器位置閉環(huán)、K210訓(xùn)練識(shí)別數(shù)字、OPENMV巡線，其實(shí)這些內(nèi)容我在21年電賽開(kāi)賽前就說(shuō)過(guò)，不知道大家還有沒(méi)有印象：

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的做个全国一等奖的小车，其实不难（F题：智能送药小车方案分享）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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