黃琳晴 趙天翔 何金枝

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款基于OpenMV圖像處理技術(shù)的自動(dòng)跟隨智能小車(chē)。小車(chē)通過(guò)OpenMV攝像頭采集圖像并進(jìn)行圖像識(shí)別處理，確定跟蹤目標(biāo)，然后通過(guò)Arduino控制器控制小車(chē)自動(dòng)跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。小車(chē)同時(shí)具備避障功能，可以在跟隨過(guò)程中自動(dòng)避開(kāi)障礙物。設(shè)計(jì)主要由OpenMV圖像處理模塊和基于Arduino的智能小車(chē)兩部分組成。OpenMV圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)圖像的采集，目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤算法的生成?；贏rduino 的智能小車(chē)按照算法控制兩臺(tái)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以及通過(guò)紅外傳感器和超聲波傳感器感知障礙物實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。設(shè)計(jì)可用于幫助工作人員攜帶更多更重的工具或者戶(hù)外活動(dòng)時(shí)幫助人們攜帶物品等功能。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別; 自動(dòng)跟隨; 智能小車(chē); 目標(biāo)識(shí)別; 自動(dòng)避障；圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）34-0020-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

智能車(chē)具有自主行駛、自動(dòng)巡航、自動(dòng)駕駛等功能，可以廣泛運(yùn)用在物流、交通和軍事等領(lǐng)域[1]。智能車(chē)系統(tǒng)以快速發(fā)展的汽車(chē)電子技術(shù)為背景，涵蓋了電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、傳感技術(shù)等多個(gè)學(xué)科[2]。智能車(chē)設(shè)計(jì)中圖像處理技術(shù)屬于十分重要的組成部分。圖像處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像的分析與處理并提取出目標(biāo)物體的位置、顏色等有用信息[3]。設(shè)計(jì)時(shí)可利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)追隨目標(biāo)物體，增強(qiáng)智能車(chē)自主性及智能化程度[4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)自動(dòng)跟隨小車(chē)的研究分析，了解到自動(dòng)跟隨智能小車(chē)設(shè)計(jì)的必要性，自動(dòng)跟隨技術(shù)是智能化技術(shù)的重要應(yīng)用之一，可在物流、交通和軍事等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。自動(dòng)跟隨小車(chē)可以自主行駛，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的自動(dòng)跟隨，提高小車(chē)的自主性和智能化程度。該設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟隨智能小車(chē)，采用了開(kāi)源的圖像處理庫(kù)OpenMV及Arduino控制器，具有良好的擴(kuò)展性和可編程性。小車(chē)主體部分由Arduino控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、傳感器組成，使用車(chē)架用于支撐和保護(hù)小車(chē)的所有組件[5]，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)中，Arduino控制器作為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的控制、傳感數(shù)據(jù)采集以及處理傳輸?shù)剿膱D像數(shù)據(jù)；OpenMV主要用于圖像采集識(shí)別并處理；超聲波傳感器用于實(shí)現(xiàn)小車(chē)避障功能；電源模塊用于給小車(chē)供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接控制兩個(gè)電機(jī)；兩個(gè)電機(jī)控制小車(chē)行進(jìn)方向。

使用OpenMV的Color Tracking顏色追蹤。OpenMV與Arduino控制器之間的通信采用串口通信，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨小車(chē)的功能[6]。OpenMV是一個(gè)開(kāi)源的、搭載了一個(gè)強(qiáng)大的32位處理器的攝像頭，達(dá)到了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求水平，并且使用SD卡可以更方便地將圖像流數(shù)據(jù)提取出來(lái)，是一個(gè)較為完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)[7]。

2 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用OpenMV的圖像傳感器進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)目標(biāo)紅色物體，識(shí)別成功后通過(guò)串口通信將坐標(biāo)信息發(fā)送至Arduino控制器，控制器接收到OpenMV傳來(lái)的指令后，根據(jù)接收到的指令控制小車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)采用PWM控制進(jìn)行位置跟隨，電機(jī)調(diào)速通過(guò)PWM控制，占空比不同，輸出模擬電壓的平均值不同，由此來(lái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

2.1 圖像處理程序設(shè)計(jì)

首先，使用OpenMV板的攝像頭捕捉圖像，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中。然后對(duì)圖像進(jìn)行處理以減少噪聲，提高圖像質(zhì)量。再?gòu)膱D像中提取目標(biāo)特征，設(shè)計(jì)中選擇提取紅色的顏色特征，以便進(jìn)行后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)或跟蹤。在圖像中使用目標(biāo)檢測(cè)算法檢測(cè)目標(biāo)物體，以便后續(xù)跟蹤或控制。在圖像中使用目標(biāo)跟蹤算法跟隨目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，以便后續(xù)控制或決策[8]。根據(jù)目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，生成相應(yīng)的控制指令，如速度、方向等，以便控制小車(chē)的移動(dòng)。使用串口通信將圖像處理結(jié)果發(fā)送給Arduino控制器，控制器接收指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨小車(chē)的功能。

過(guò)程可以描述為：初始化攝像頭傳感器；設(shè)置像素格式和幀大?。惶^(guò)前10幀以使新設(shè)置生效；關(guān)閉自動(dòng)白平衡；定義一個(gè)計(jì)時(shí)器以跟蹤FPS；定義一個(gè)函數(shù)來(lái)查找最大的斑點(diǎn)；定義一個(gè)PID函數(shù)，用于計(jì)算偏差并返回控制量；在主循環(huán)中獲取攝像頭圖像，查找紅色斑點(diǎn)，計(jì)算偏差并發(fā)送控制量到串口。同時(shí)，在圖像上繪制矩形和十字線以指示檢測(cè)到的斑點(diǎn)。使用循環(huán)語(yǔ)句不斷執(zhí)行以下操作：

1） 從攝像頭獲取一張圖像，進(jìn)行校正。

2） 識(shí)別紅色物體，找到最大的一個(gè)色塊。

3） 如果最大的色塊像素?cái)?shù)大于100，則計(jì)算物體在圖像中的位置，并根據(jù)位置輸出控制信號(hào)。

4） 輸出控制信號(hào)后，LED燈亮起50毫秒。

5） 最終將位置信息轉(zhuǎn)化為字符串，通過(guò)串口輸出給Arduino控制器。

2.2 小車(chē)控制程序設(shè)計(jì)

Arduino控制器接收到串口發(fā)送的信號(hào)后根據(jù)信號(hào)指令控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)，在調(diào)節(jié)參數(shù)（PID參數(shù)、速度等）后，自動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)。小車(chē)運(yùn)動(dòng)的主程序流程圖如圖2所示。

首先，在OpenMV獲取到跟隨目標(biāo)物體的中心橫坐標(biāo)和距離后，進(jìn)行條件判斷，Arduino控制器接收到通過(guò)串口發(fā)送的信息后，控制器根據(jù)獲取的中心橫坐標(biāo)運(yùn)用PID算法計(jì)算并控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，與此同時(shí)，Arduino控制器會(huì)將從串口獲取的距離與程序中設(shè)定的最大跟隨距離比較，如果距離過(guò)大無(wú)法獲取圖像信息，則小車(chē)原地轉(zhuǎn)圈尋找目標(biāo)物體。

PID算法如公式（1）：

PID輸出值=Kp×e（t） + Ki×∫e（t）dt + Kd×de（t）/dt? （1）

其中，e（t）表示誤差，即目標(biāo)值和測(cè)量值的差值；∫e（t）dt表示誤差的積分，即誤差隨時(shí)間的累積；de（t）/dt表示誤差隨時(shí)間的變化速率。Kp、Ki和Kd分別表示比例、積分和微分系數(shù)。

設(shè)計(jì)首先根據(jù)偏差值計(jì)算出左右輪的PWM輸出，然后進(jìn)行一些限制處理，確保PWM輸出在合理的范圍內(nèi)。最后，通過(guò)將PWM輸出寫(xiě)入左右輪的控制引腳中，控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。原理如下：

假設(shè)B為后輪兩輪的輪距，L為前后輪的間距，假如最優(yōu)路徑為左前方與車(chē)正前方夾角為a的直線（a有正有負(fù)），拐彎半徑在左邊和后輪齊平，轉(zhuǎn)彎半徑為R，那么后兩個(gè)輪子的角速度相等[9]。也就是：

v_left/R_in = v_right/R_out = v/R? ? ? ? （2）

其中，v_left為左輪速度，v_right為右輪速度，R_in為內(nèi)圈轉(zhuǎn)彎半徑，R_out為外圈轉(zhuǎn)彎半徑，假設(shè)輪子的中間速度為v（即速度設(shè)定值），而且滿足：

R = L/tan a? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

R_in = R - B/2? ? ? ? ? ? ? ? （4）

R_out = R + B/2? ? ? ? ? ? ? （5）

可以推出：

v_left = v-v*B*tan a /2L? ? ? ? ? ?（6）

v_right = v+v*B*tan a /2L? ? ? ? ?（7）

2.3 超聲波避障程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)超聲波避障程序的第一步是對(duì)超聲波模塊和Arduino控制器的引腳進(jìn)行初始化，包括設(shè)置超聲波發(fā)送和接收引腳的模式和狀態(tài)。通過(guò)超聲波發(fā)送引腳向外發(fā)送超聲波信號(hào)，等待一段時(shí)間后關(guān)閉發(fā)送引腳，通過(guò)超聲波接收引腳接收回波信號(hào)，計(jì)算回波信號(hào)的時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出距離。根據(jù)距離判斷小車(chē)前方是否存在障礙物，如果距離小于設(shè)定值，則認(rèn)為有障礙物，否則認(rèn)為沒(méi)有障礙物并通過(guò)串口向Arduino控制器發(fā)送相應(yīng)串口信息，根據(jù)距離判斷結(jié)果，控制輸出信號(hào)，通過(guò)Arduino的數(shù)字輸出口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。最后循環(huán)執(zhí)行以上步驟，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和避障。

3 測(cè)試及分析

基于圖像處理的自動(dòng)跟隨智能小車(chē)是由圖像識(shí)別處理和小車(chē)驅(qū)動(dòng)控制模塊兩大模塊組成的。主要對(duì)由OpenMV進(jìn)行的圖像識(shí)別追蹤、OpenMV與Arduino控制器的串口通信、小車(chē)自動(dòng)跟隨、超聲波避障4個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試及分析。

首先，測(cè)試OpenMV對(duì)圖像能否正確識(shí)別并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送給Arduino控制器，由于設(shè)計(jì)只需要單片機(jī)接收視覺(jué)模塊和超聲波模塊的數(shù)據(jù)，所以采用串行單工傳輸[10]。通過(guò)查看串口監(jiān)視器，檢查Arduino是否能夠成功接收到從OpenMV發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，測(cè)試能夠接收到后，繼續(xù)測(cè)試下一步。將小車(chē)安裝并下載好程序后，將小車(chē)放置于光線較好位置，將目標(biāo)物體放置在小車(chē)前方，檢測(cè)OpenMV是否成功捕捉圖像識(shí)別色塊，即觀察OpenMV的綠色LED燈是否點(diǎn)亮，檢查識(shí)別成功后，測(cè)試小車(chē)是否能成功接收控制信號(hào)前進(jìn)。移動(dòng)目標(biāo)物體，檢查小車(chē)是否根據(jù)目標(biāo)物體的移動(dòng)而移動(dòng)跟隨，向左向右移動(dòng)目標(biāo)物體檢測(cè)小車(chē)是否能根據(jù)目標(biāo)物體的移動(dòng)改變左右輪轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎跟隨。由測(cè)試結(jié)果顯示，小車(chē)能夠自動(dòng)跟隨目標(biāo)物體移動(dòng)。最后測(cè)試超聲波避障模塊，將目標(biāo)物體靜止放置小車(chē)前方距離50 cm，令小車(chē)識(shí)別并前進(jìn)，測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)小車(chē)與目標(biāo)物體距離接近30 cm時(shí)，小車(chē)能夠停止運(yùn)動(dòng)，避免碰撞。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于圖像處理的自動(dòng)跟隨智能小車(chē)設(shè)計(jì)具有自動(dòng)跟隨、實(shí)時(shí)反饋等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種需要自動(dòng)跟隨的場(chǎng)景，如物流、倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域。設(shè)計(jì)過(guò)程主要完成了整體框架設(shè)計(jì)、實(shí)物調(diào)試、對(duì)OpenMV軟件部分代碼的設(shè)計(jì)編寫(xiě)、Arduino控制程序設(shè)計(jì)、串口通信程序、PID控制算法、電機(jī)配置PWM脈沖程序、超聲波避障程序、對(duì)該智能小車(chē)硬件部分的搭建組裝以及系統(tǒng)測(cè)試分析和調(diào)優(yōu)。盡管設(shè)計(jì)要求已實(shí)現(xiàn)，但仍存在不足，設(shè)計(jì)需要有較好光線的環(huán)境以供攝像頭捕捉識(shí)別目標(biāo)物體。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】