張 媛 萬 盈 榮傲華 鄧志民 劉博文 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

1 系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，設計了一種遙控追蹤的多功能救援車.該救援車系統(tǒng)主要包括主體平臺和以STM32 單片機為中央處理器的無線遠程遙控兩部分，其間通過NRF24L01無線通信模塊進行遠程雙向通信，主體平臺采用K60作為主控處理器，基于OpenMV攝像頭和三維云臺，利用PID自動調(diào)節(jié)及機器視覺識別等技術，用戶可通過OLED屏幕上反饋的信息，由遠程遙控發(fā)送指令來實現(xiàn)避障、自動追蹤、瞄準定位等功能.

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

2 系統(tǒng)硬件方案選擇

(1)微處理器選擇：遠程遙控器部分選用STM32F103C8T6單片機，其具有單周期的乘法指令和硬件除法以及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng)，工作時頻率最高可達72 MHz.主體平臺部分采用K60作為主控處理器，主頻可達到180 MHz，具有豐富的模擬、通信、定時和控制外設.

(2)無線通訊模塊的選擇：遙控器部分通訊模塊選用NRF24L01無線通訊模塊，該模塊是一款新型射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段.內(nèi)置頻率合成器、功率放大器等功能模塊，融合了增強型ShockBurst技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置.

(3)機器視覺模塊的選擇：系統(tǒng)選用OpenMV攝像頭， 該攝像頭是一款低價、可擴展且支持Python的機器視覺模塊，其以STM32H743VIT6單片機為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，整個模塊在二者的聯(lián)合下已高效地實現(xiàn)了核心機器視覺算法.

3 系統(tǒng)信息采集的原理探究及軟件設計

由于救援車在工作時需要多個模塊進行信息交互，其間除了最簡單的串口通信外還要進行基于NRF24L01的無線信息傳輸[1].故而整個系統(tǒng)的3個處理器除了需要通過程序控制其完成各自任務外，還需完成相互之間的信息傳遞.尤其是針對無線信息傳輸?shù)牟糠?，則更需要通過算法對丟包、信息準確度等問題進行優(yōu)化.對此，本文選擇放棄一定的通訊效率來換取信息的完整度，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠.以下將系統(tǒng)分為3部分進行分析設計.

(1)遙控器信息采集的原理及程序設計

用戶在使用遙控器時，可以通過OLED屏幕上顯示的菜單以及車模運行中的各項信息，通過按鍵對菜單進行操作，即通過電位器(搖桿)來操控車模的方向，控制其完成各項任務.在遙控器信息采集過程中，相對重要的是將采集到的搖桿電壓值轉化為控制電機與舵機執(zhí)行對應動作的指令.由于搖桿帶有回彈裝置，故將遙控器開機時采到的第一批電壓值經(jīng)濾波處理后設為中點電壓.即此狀態(tài)時，車模電機轉速為零，車模前輪保持向前，將滑動端采得的最大值與最小值之差劃分為4 096個刻度，根據(jù)每一時刻單片機所采到的電壓值轉化為對應的百分比數(shù)值，并將這一信息編輯為報文發(fā)送至車模主控，對方則將接收到的信息轉化為脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)波形對應的占空比傳遞至執(zhí)行器，從而達到用搖桿控制車模運行速度與運行方向的目的.

(2)攝像頭部分光信息采集原理探究及程序設計

該救援車通過三維云臺和機械臂完成高危任務時，以OpenMV作為任務模塊的“眼睛”即通過OpenMV捕捉到符合預設要求的目標物.在OpenMV捕捉要求的目標物時，將采集到的光信號轉換成電信號，單片機通過Lab色彩空間來判斷所采集的圖像(Lab色彩空間是由國際照明委員會制定的一種色彩模式，其中L表示亮度；a代表從綠色到紅色的分量；b代表從藍色到黃色的分量).如此，可將圖像中符合所設閾值的連續(xù)像素點認為是一個色塊，對此時圖像中的所有色塊的外接矩形面積以及色塊所含像素點的數(shù)量是否符合預設要求進行逐一判斷，剔除其中不滿足預設要求的色塊.若圖像經(jīng)過上一步處理后仍存在多個滿足要求的色塊，則先根據(jù)色塊區(qū)域的像素數(shù)量進行排序，選擇其中最大的X個目標，將這些目標的坐標按照(r,θ,φ)自小到大的順序進行排序，將排序后的信息經(jīng)由車模主控發(fā)送至遙控器的控制單元，隨后顯示于遙控器板載OLED屏上，以供使用者選擇[2].目標物在球坐標系示意圖,如圖2所示.

圖2 目標物在球坐標系示意圖

(3)車模主控的程序設計

車模主控部分主要起到中繼作用，其接收遙控器的各類指令發(fā)送至各執(zhí)行器，以達到控制全車的目的.針對各執(zhí)行器，處理器主要操控的部分有轉向舵機、電機以及云臺；針對轉向舵機，需預先測出其打角至機械左右極限和機械零點對應的PWM波占空比，并將其與方向控制搖桿的電壓信號進行匹配，實現(xiàn)方向控制的功能.電機的控制與轉向舵機的控制類似但不相同，也需要預設一個行駛速度上限、倒車速度上限以及靜止速度設定值，并將這一設定值與速度控制搖桿的電壓信號進行匹配.關于上述PWM波占空比的閉環(huán)控制算法，系統(tǒng)采取的是使用廣泛、技術成熟的PID控制算法[3]，算法流程圖如圖3所示.

圖3 算法流程圖

算法的系統(tǒng)函數(shù)如下：

PWMout=KP(SV- PV)+KI*sum+K* SV

sum=∑(SV- PV)

其中，SV為速度設定值，PV為編碼器所采集到的速度當前值，KP和KI以及K為3個需要設定的系數(shù).

云臺的主要任務為輔助OpenMV進行目標物的尋找與捕捉，以及確定目標后由OpenMV輔助其完成瞄準任務.由于在尋找目標物的過程中已經(jīng)對目標物的大致方位有了一定的了解，所以執(zhí)行該任務的第一階段會將目標物收納于OpenMV的視野當中，運用增量式PID算法的思想“多退少補”，將目標物中心移動至OpenMV的視野中心，即完成了瞄準工作.

4 總結

該救援車通過OpenMV與云臺二者的結合，經(jīng)NRF24L01模塊實現(xiàn)信息交互，可實現(xiàn)避障、自動追蹤、瞄準定位、輔助救援等功能.經(jīng)過測試該救援車可按照操作者的指令完成預設的任務，且各項功能均運轉良好.實物效果圖如圖4所示.

圖4 救援車實物效果圖