孟兆樂，蔣 野，劉增林

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

如今，機器學(xué)習(xí)是一門研究如何設(shè)計算法利用數(shù)據(jù)使機器在特定任務(wù)上取得更優(yōu)表現(xiàn)的學(xué)科，其中以深度學(xué)習(xí)為代表的相關(guān)技術(shù)已成為人們研究實現(xiàn)人工智能方法的重要手段之一。至今，機器學(xué)習(xí)研究已經(jīng)取得大量令人矚目的成就：在圖像分類任務(wù)上的識別準(zhǔn)確率超過人類水平；能夠生成人類無法輕易識別的逼真圖像和文本；機器學(xué)習(xí)成為熱潮，成為解決一些特殊環(huán)境下人不方便介入時的解決辦法。

受新冠肺炎疫情影響，醫(yī)院的醫(yī)護人員在給病人送藥的過程中難免會有感染的風(fēng)險，無接觸送藥的方式將減少醫(yī)護人員與病人的交叉接觸，減少了醫(yī)護人員的工作量，從而降低醫(yī)護人員被感染的概率。設(shè)計一款基于機器學(xué)習(xí)的智能送藥小車將改變這種傳統(tǒng)的接觸式送藥模式，智能送藥小車?yán)肙penMV攝像頭，通過采集病房號的數(shù)字信息，將帶有病房號數(shù)字信息儲存在內(nèi)存中，當(dāng)需要送藥的指令發(fā)出后，配藥醫(yī)護人員將目標(biāo)病房號的數(shù)字信息送給STM32單片機，單片機根據(jù)攝像頭以及循跡路徑規(guī)劃路線，完成送藥任務(wù)[1]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)方案選擇

智能送藥小車制作的主要器件：STM32F429、HMI串口顯示屏、HC05藍(lán)牙模塊、L298N電機驅(qū)動板、電源模塊、18650電池電源、發(fā)光二極管、帶編碼器的直流電機、OpenMV攝像頭、顏色識別模塊、小車實物照片如圖1所示。

圖1 智能送藥小車的實物照片

智能送藥小車系統(tǒng)可以劃分為四個階段：病房數(shù)字號碼進行機器學(xué)習(xí)階段、目標(biāo)病房號碼數(shù)據(jù)采集階段、送藥階段、返程階段。

1)病房數(shù)字號碼進行機器學(xué)習(xí)階段：將數(shù)字病房號碼多角度拍照，將其特征點錄入到OpenMV攝像頭的數(shù)據(jù)庫中，待送藥任務(wù)指令下達(dá)后，單片機進行目標(biāo)病房號碼的特征點比對工作。

2)目標(biāo)病房號碼數(shù)據(jù)采集階段：智能送藥小車通過OpenMV攝像頭將采集到的數(shù)字病房號數(shù)據(jù)傳入STM32單片機，單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)特征點采樣分析。單片機對采集到的數(shù)據(jù)與之前機器學(xué)習(xí)過的數(shù)據(jù)庫進行NCC(模板匹配)、Hausdorff(距離匹配)算法比對，單片機運算處理后得到目標(biāo)病房號碼，并等待藥品裝填的指令下達(dá)。

3)送藥階段：當(dāng)傳感器檢測到藥品已放入，智能送藥小車開始送藥階段。在送藥的過程中，智能送藥小車?yán)肙penMV攝像頭、循跡模塊來完成路線規(guī)劃，進行送藥任務(wù)，到達(dá)目標(biāo)病房后點亮紅色LED指示燈停車等待藥品的取用。

4)返程階段：當(dāng)傳感器檢測到藥品已取走后，智能送藥小車完成送藥階段，進入返程階段。智能送藥小車原路返回，完成送藥工作。

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

1.2 病房地圖規(guī)劃

首先將固定的病房平面圖建立直角坐標(biāo)系進行位置規(guī)劃，那么我們可以通過編碼器累計里程，構(gòu)建一個智能小車送藥路徑圖。這個圖共有14個節(jié)點，分別賦予與實際長度相對應(yīng)的坐標(biāo)值，將固定的坐標(biāo)位置存儲到單片機的Flash中。通過編碼器即可到達(dá)地圖中任意位置。算法描述如下：

Step1：構(gòu)建地圖，輸入14個節(jié)點的坐標(biāo)值、目標(biāo)坐標(biāo)值，如圖3所示。

圖3 節(jié)點坐標(biāo)圖

Step2：根據(jù)OpenMV的指令進行前進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，記錄到達(dá)的坐標(biāo)編號。

Step3：構(gòu)建路徑堆棧，在返程時依次出棧。

例如小車要前往中部4號病房，途徑1、3、6、9四個節(jié)點。當(dāng)小車返回時，小車采用依次出棧的方法，依次途徑的點為9、6、3、1四個節(jié)點返回藥房。

1.3 攝像頭數(shù)字識別算法

在小車的行駛過程中需要識別數(shù)字，從而判斷小車行駛路徑。我們在車頭安裝OpenMV攝像頭在十字路口對標(biāo)識數(shù)字進行識別，從而判斷小車行駛路徑。采用廣角的OpenMV攝像頭來抓取圖像，為保證可以同時抓取四個數(shù)字，對攝像頭抓取的圖像在計算機上進行腐蝕膨脹、濾波、灰度化、二值化等圖像預(yù)處理操作后儲存到OpenMV的SD卡中作為模板匹配的樣本，然后對圖像進行單字符分割，讓小車的攝像頭能輕松的去尋找到數(shù)字的邊框輪廓，將攝像頭識別到的數(shù)字畫外接矩形用于區(qū)分以及指示。同時利用模板匹配的NCC算法和Hausdorff算法提高識別精度，保證小車在快速運行的過程中識別到病房號信息，單片機為送藥小車規(guī)劃路線[2]。

1)NCC模板匹配算法

NCC歸一化的交叉相關(guān)性，是數(shù)學(xué)上統(tǒng)計兩組數(shù)據(jù)之間是否有關(guān)系的判斷方法，可以匹配與模板圖片大小和角度基本一致的圖案。模板匹配適應(yīng)于攝像頭與目標(biāo)物體之間距離確定，不需要動態(tài)移動的情況。

正常的計算公式如下：

(1)

所有像素點(x,y)∈M×N

其中

(2)

(3)

在OpenMV中，我們使用160*120分辨率的灰度圖像進行識別。首先對1～8進行模板圖像采集，然后使用OpenMV自帶函數(shù)find_temple進行識別比對。設(shè)定相似度閾值為0.7讓小車去動態(tài)識別數(shù)字病房號，送藥小車可以完成預(yù)期的送藥任務(wù)[3]。

2)Hausdorff距離匹配的算法

模板匹配適應(yīng)于攝像頭與目標(biāo)物體之間距離確定，不需要動態(tài)移動的情況。在動態(tài)移動過程中就會出現(xiàn)錯誤匹配的情況，所以我們引入Hausdorff算法，從待識別數(shù)字圖像中提取若干特征向量與模板對應(yīng)的特征向量進行比較，計算圖像與模板特征向量之間的距離，用最小距離法判定所屬類別，同時增加粗檢索，它不是讓模板每次移動一個像素，而是每隔若干個像素把模板和圖像重疊，并計算匹配的尺度，從而求出對象大致存在的范圍。在以記錄坐標(biāo)為中心的3*3cm2的范圍內(nèi)，讓模板每隔一個像素移動一次，根據(jù)求出的匹配尺度確定對象所在的位置，利用這條特征去進行固定位置的房間號碼識別，讓搭載攝像頭的小車去尋找固定位置房間號碼，然后傳回房間號碼去完成送藥工作。

圖4 Hausdorff算法流程圖

1.4 PID控制算法

PID調(diào)節(jié)實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出。PID控制是將誤差信號e(t)的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量進行控制，其輸出信號為：

(4)

對此式進行拉普拉斯變換，并且整理后得到模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

(5)

KP：比例系數(shù)；TI:積分時間常數(shù)；TD:微分時間常數(shù)；e(t):偏差；u(t):控制量[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控MCU

以STM公司的STM32F429IGT6作為主控芯片，該單片機采用cortex-M4高速內(nèi)核、主頻180 MHz、具有高性能、功耗低、最小系統(tǒng)板資源豐富、片內(nèi)資源充足和處理能力較強[5]。

2.2 光敏電阻循跡組

在小車的行駛過程中需要判斷小車行駛路徑，以此來控制小車的行駛狀態(tài)，對此我們在車頭安裝光敏電阻循跡組用以檢測出地圖上的紅色標(biāo)線，從而規(guī)劃小車行駛路徑。

2.3 動力系統(tǒng)——電機與電機驅(qū)動板

小車采用直流電機驅(qū)動，其轉(zhuǎn)動力矩大、體積小、重量輕、裝配簡單、操作方便。電機可以通過改變電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可以通過調(diào)節(jié)PWM來實現(xiàn)電機的調(diào)速。小車采用L298N雙路電機驅(qū)動板來驅(qū)動直流電機。

2.4 藍(lán)牙串口通訊

在兩運動中的小車之間建立通訊方式，藍(lán)牙串口模塊(HC05)是基于SPP協(xié)議，能在藍(lán)牙設(shè)備之間創(chuàng)建串口進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N設(shè)備。藍(lán)牙串口的目的是針對如何在兩個不同通信設(shè)備上保證一條完整的通信路徑，從而實現(xiàn)雙車協(xié)作并完成任務(wù)[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序功能描述

軟件部分主要實現(xiàn)通過視覺反饋及編碼器控制小車行進，攝像頭識別數(shù)字和規(guī)劃小車路線按指示的數(shù)字將藥送到固定的病房。

3.2 程序設(shè)計思路

程序設(shè)計主要從是否檢測到要求送藥的病房號為第一個開關(guān)，當(dāng)檢測到目標(biāo)病房號后去檢測第二個開關(guān)是否檢測到放置藥品，檢測到放置藥品就開始規(guī)劃路線送藥，送藥過程檢測第三個開關(guān)是否到達(dá)送藥終點，如果到達(dá)的是十字路口，就采用攝像頭識別房間號，智能送藥小車規(guī)劃路線；如果到達(dá)終點，就判斷是否取走藥品，待取走藥品，開始返程。

3.3 程序流程圖

圖5 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

基于上述的地圖規(guī)劃情況，分別讓送藥小車去完成對近端、中端、遠(yuǎn)端病房的送藥任務(wù)，其實際測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)論

本設(shè)計制作的智能送藥小車，模擬完成了醫(yī)院病房藥品的送達(dá)作業(yè)。智能小車可依據(jù)程序設(shè)定以及機器學(xué)習(xí)的數(shù)字病房號信息，實現(xiàn)了病房號的數(shù)字識別、循跡、雙機交互送藥的功能。此設(shè)計在一定程度上減少了病人與醫(yī)護人員的接觸幾率，也緩解了醫(yī)護人員勞動量大的問題。