湖北經(jīng)濟學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 楊小龍 唐 傲 孫少聰 柳超凡 余 鵬 張 澳 羅晶凡 余 祥

結(jié)合2020年新冠狀病毒傳染病的流行，醫(yī)院很多醫(yī)護人員需要接觸和配送藥品與生活物資，這樣增加了醫(yī)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用于更多的領(lǐng)域和范圍，前景廣闊。

1 課題簡介

2020年，湖北武漢發(fā)生重大疫情，一時間官方緊急封城，各地的醫(yī)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(yī)護人員這些一線奮斗的抗疫戰(zhàn)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(yī)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(shè)備，使系統(tǒng)具有更高的智能性和更全面的信息采集，從而實現(xiàn)對人力資源的大幅度節(jié)約，讓疫情發(fā)生后的損失更為減少，為醫(yī)護安全提供進一步的保障。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)單片機由STM32單片機設(shè)計，硬件方面由驅(qū)動控制，WiFi遙控，OpenMV攝像頭，以及舵機構(gòu)成的機械臂模塊配合使用實現(xiàn)系統(tǒng)功能，軟件方面利用了PID控制技術(shù)來實現(xiàn)機械臂的自由旋轉(zhuǎn)以及識別到目標后的下一步動作。同時加的WiFi技術(shù)實現(xiàn)超遠距離遙控，實現(xiàn)在2000m以內(nèi)可以任意指揮智能車的行動，保持智能車的穩(wěn)定性和可控性。

2.1 系統(tǒng)簡介

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

圖1 系統(tǒng)流程框圖

2.2 器件的選型與比較

主控單片機選型：

系統(tǒng)單片機采用STM32F407V型號開發(fā)板，此開發(fā)板的優(yōu)勢在于采用Cortex M4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集，運行速度高速；STM32F4系列擁有192KB的片內(nèi)SRAM，集攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高速OTG、真隨機數(shù)發(fā)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(fù)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(shè)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(xué)習(xí)基礎(chǔ)，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(nèi)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(jīng)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(tǒng)不會消耗太多的能量?？紤]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(lián)網(wǎng)芯片，價格較低，性能穩(wěn)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(xué)校中就利用ESP8266進行過項目學(xué)習(xí)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(xiàn)，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(nèi)置STM32H7芯片，方便我們進行編程和學(xué)習(xí)，從而更好地實現(xiàn)目標的確定識別。視覺處理模塊的用途主要用于對醫(yī)院視野的掌握和病房門牌號的識別，搭配定點模塊實現(xiàn)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(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

3.1 軟件程序設(shè)計

（1）軟件程序設(shè)計流程（圖2）

圖2 程序流程框圖

3.2 硬件電路設(shè)計

舵機控制原理：

舵機控制模塊是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。通過PID算法傳回的數(shù)據(jù)，它在每個控制周期內(nèi)解析數(shù)據(jù)并對OpenMV傳回的姿態(tài)信息進行實時反饋，得到小車的位置信息和工作狀態(tài)，計算出控制量，從而控制驅(qū)動四個舵機工作，保持小車穩(wěn)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(xiàn)四個方向自由度的自由轉(zhuǎn)變，同時滿足實時小車狀態(tài)的調(diào)整以及對小車工作時長的長待機功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試、測試結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試完成后，每個方向的舵機能完成360°自由度的翻轉(zhuǎn)和抓取動作，攝像儀模塊能夠通過OpenMV傳回視覺數(shù)據(jù)，實時反饋所看到的景象以及識別到目標物體，做出反應(yīng)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(xiàn)在的送貨情況，系統(tǒng)調(diào)試完成無誤。

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)過程序編寫和調(diào)試之后我們對攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)果發(fā)現(xiàn)OpenMV攝像頭能夠準確的捕捉到目標物體。OpenMV視覺處理模塊數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 OpenMV視覺處理模塊數(shù)據(jù)圖

4.3 結(jié)論

項目測試結(jié)果基本符合我們的預(yù)期，我們也期望在后期的學(xué)習(xí)研究中對系統(tǒng)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(shè)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(yī)護人員自己現(xiàn)在所遇到的問題，及時讓醫(yī)護人員收到病人的消息以及出現(xiàn)的問題。為處理事務(wù)提供便捷。一方面既能提供安全系數(shù)，另一方面能夠?qū)⒅悄芑膬?yōu)勢最大化，讓醫(yī)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(fā)展。