周子堯，章?lián)P

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和高性能芯片的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)令人興奮的新時(shí)代。機(jī)器視覺(jué)作為一門借助處理器和攝像頭代替人眼，通過(guò)數(shù)字圖像的像素信息進(jìn)行測(cè)量和判斷的領(lǐng)域，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這一領(lǐng)域的研究方向包括但不限于產(chǎn)品分揀、人體姿態(tài)檢測(cè)、物體檢測(cè)和識(shí)別等，為各行各業(yè)提供了強(qiáng)大的工具和解決方案。

在機(jī)器視覺(jué)研究的浪潮中，開源技術(shù)的貢獻(xiàn)日益凸顯。OpenMV 視覺(jué)模塊作為一款開源且功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊，為研究者和工程師提供了極大的便利。OpenMV 內(nèi)置了眾多機(jī)器視覺(jué)算法，如尋找色塊、人臉檢測(cè)、邊緣檢測(cè)等，使得利用這一模塊僅需通過(guò)簡(jiǎn)化版的Python 代碼編寫即可完成各種復(fù)雜的機(jī)器視覺(jué)任務(wù)[1]。

另一個(gè)關(guān)鍵組成部分是二維云臺(tái)，它由兩個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)二自由度的控制，用于對(duì)OpenMV 的測(cè)量方向進(jìn)行調(diào)整和修正，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的精確性和靈活性。

本論文旨在介紹一種基于OpenMV 的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，探討如何充分利用開源技術(shù)和高性能硬件，以滿足不斷增長(zhǎng)的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用需求。我們將詳細(xì)討論系統(tǒng)的架構(gòu)、工作原理以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用貢獻(xiàn)新的見(jiàn)解和解決方案。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示，全系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)組成。OpenMV 是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊上面集成了STM32F427 微處理器與OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C 語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，同時(shí)也提供Python 編程接口[2]。系統(tǒng)主控芯片均采用STM32F427 微處理器。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)均通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)來(lái)調(diào)整激光的指向，每個(gè)云臺(tái)由兩個(gè)大力矩舵機(jī)組成，可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向上的自由移動(dòng)，使激光具有更大的指示范圍[3]。系統(tǒng)通過(guò)按鍵模塊可以進(jìn)行模式選擇、位置校準(zhǔn)、開始/暫停，并允許手動(dòng)調(diào)整激光指示精度與指示范圍，以實(shí)現(xiàn)廣泛圍與高精度等不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件及電路設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源電路如圖2 所示，系統(tǒng)均以12V 鋰電池供電，電源模塊均采用TI 公司的TPS5430 降壓芯片，該芯片具有噪聲小、帶載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可將12V 降壓為5V與3.3V。輸出電壓等于1.229×(1+R1/R2)，經(jīng)過(guò)計(jì)算選取R1=47kΩ，R2=15kΩ，R3=51kΩ，R4=30kΩ。其 中，5V 電壓用于OpenMV 與激光指示頭供電，3.3V 電壓用于LED、蜂鳴器與OLED 供電，而舵機(jī)直接以12V 鋰電池供電。

圖2 系統(tǒng)降壓電路

■2.2 云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

云臺(tái)安裝有兩種不同的組合方式（圖3），方案一（圖3 左）搭建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，垂直方向旋轉(zhuǎn)半徑大，便于控制舵機(jī)，但舵機(jī)本身的負(fù)載較大，存在發(fā)送微小轉(zhuǎn)動(dòng)指令時(shí)舵機(jī)不旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；方案二（圖3 右）垂直方向舵機(jī)負(fù)載小，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)更靈敏，角度控制更準(zhǔn)確。綜合精度與控制難度，采用方案二所示的安裝方式可以實(shí)現(xiàn)較低控制難度下的較高精度。

圖3 兩種云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)比

■2.3 聲光提示模塊電路設(shè)計(jì)

圖4 是自動(dòng)追蹤系統(tǒng)聲光提示模塊的電路。電路由3.3V電壓供電，接入蜂鳴器與LED 燈的正極，通過(guò)微處理器的GPIO 口輸出高低電壓進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)LED 燈的滅或亮、蜂鳴器關(guān)閉或發(fā)出蜂鳴聲。蜂鳴器選擇的是無(wú)源蜂鳴器，無(wú)音調(diào)變化，但較有源蜂鳴器控制更簡(jiǎn)單。

圖4 聲光提示模塊電路

■2.4 屏幕顯示模塊

屏幕顯示電路如圖5 所示，OLED 需以3.3V 供電，SDA 與SCL 腳連接 至MCU 上引出 的GPIO 口，MCU 輸 出控制信號(hào)后可使OLED 上顯示預(yù)設(shè)的信息。

圖5 屏幕顯示模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖6 所示，本系統(tǒng)共有5 個(gè)模式，分別為暫停模式、復(fù)位模式、循屏幕邊線模式、循黑膠邊線模式、舵機(jī)移動(dòng)模式，模式的選擇由按鍵控制。按鍵值的讀取放在定時(shí)器中斷中，每一秒讀取一次。如果出現(xiàn)暫停標(biāo)志位則停止舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，暫停標(biāo)志位取消則繼續(xù)原來(lái)的運(yùn)動(dòng)；如果出現(xiàn)復(fù)位標(biāo)志位，舵機(jī)先回到設(shè)定的復(fù)位位置，然后結(jié)束當(dāng)前任務(wù)。由于系統(tǒng)攝像頭固定，因此在不移動(dòng)屏幕的前提下屏幕的邊線是固定，直接采用位置標(biāo)定讓舵機(jī)巡線。在循黑膠邊線的模式下，先通過(guò)卡爾曼濾波算法[4]進(jìn)行圖像信息采集，黑膠布的顏色與背景顏色有明顯區(qū)分，找到黑膠布的位置并得到四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)提前擬合好的坐標(biāo)位置與舵機(jī)控制信號(hào)線性關(guān)系可以將四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)換算為對(duì)應(yīng)的舵機(jī)控制信號(hào)，然后進(jìn)行循跡。舵機(jī)移動(dòng)模式是讀取對(duì)應(yīng)的兩個(gè)按鍵，通過(guò)數(shù)值的加減移動(dòng)舵機(jī)位置。

圖6 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制程序流程圖

■3.2 自動(dòng)追蹤系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖7 所示，追蹤模式一開始給攝像頭復(fù)位，讓它處在靠中間的位置，若在目標(biāo)點(diǎn)右邊追蹤，則點(diǎn)擊按鍵使攝像頭向左偏轉(zhuǎn)，反之向右偏轉(zhuǎn)；當(dāng)紅色激光點(diǎn)進(jìn)入攝像頭視野范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行跟隨并打靶，將追蹤成功的信號(hào)發(fā)送給OpenMV。OpenMV 收到信號(hào)后，點(diǎn)亮LED，并使蜂鳴器發(fā)出聲音。該過(guò)程中可暫停觀察兩光斑距離。

圖7 自動(dòng)追蹤系統(tǒng)程序流程圖

4 分析與計(jì)算

■4.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤性能分析

由于舵機(jī)存在機(jī)械誤差，我們算出了激光點(diǎn)位置與當(dāng)前兩個(gè)舵機(jī)PWM 波值的關(guān)系，得到了圖8、圖9。圖8 為豎直方向位移與豎直舵機(jī)PWM 波的關(guān)系，圖9 為水平方向位移與水平舵機(jī)PWM 波的關(guān)系。兩圖的均方根（RMSE）均為11 左右，確定系數(shù)（R-square）均在0.99以上，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且擬合程度高。利用擬合的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，提高了激光精度。

圖8 豎直方向位移（y）與PWM 波（ypwm）的關(guān)系

圖9 水平方向位移（x）與PWM 波（xpwm）的關(guān)系

在進(jìn)行參數(shù)修正后，我們對(duì)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)單位角度在屏幕上的位移進(jìn)行了測(cè)量，以屏幕原點(diǎn)為PWM 原點(diǎn)，以離原點(diǎn)的豎直（或水平）距離為因變量，每改變兩個(gè)單位進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，得到了 圖10、圖11。圖10 為豎直方向位移與豎直PWM1 改變量的關(guān)系，圖11 為水平方向位移與水平PWM2改變量的關(guān)系。由圖可知，豎直方向改變單位PWM 值位移量為0.87cm，水平方向改變單位PWM 值位移量為0.90cm，準(zhǔn)確度高。兩圖的均方根（RMSE）均在0.5 以下，確定系數(shù)（R-square）均 在0.99 以上，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且擬合程度高。

圖11 水平方向位移（xl）與PWM2 改變量（x_pwm）的關(guān)系

■4.2 PID 計(jì)算

PID 通過(guò)誤差信號(hào)控制被控量，而控制器本身就是比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的加和。這里我們規(guī)定輸入量為rin(t)，輸出量為rout(t)，偏差量為err(t)=rin(t)-rout(t)，PID 的控制規(guī)律為[5]：

PID 離散表示形式：

從而得到：

5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

■5.1 測(cè)試方案

每題測(cè)試3 次，使用最大偏移距離作為測(cè)試結(jié)果。

基本要求（1）：手動(dòng)設(shè)置光標(biāo)至屏幕左上頂點(diǎn)，啟動(dòng)一鍵復(fù)位，測(cè)量光標(biāo)離預(yù)設(shè)原點(diǎn)的距離。再設(shè)置光標(biāo)至屏幕左下頂點(diǎn)，重復(fù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試是否具有暫停功能。

基本要求（2）：?jiǎn)?dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)。紅色光斑能在 30 s 內(nèi)沿屏幕四周邊線順時(shí)針移動(dòng)一周，測(cè)量移動(dòng)時(shí)光斑偏離屏幕邊線的最遠(yuǎn)距離。記錄偏移值大于2cm 的次數(shù)。

基本要求（3）：自定義靶紙粘貼位置及角度。一鍵啟動(dòng)，記錄巡線時(shí)間、移動(dòng)一周光斑偏離膠帶次數(shù)，觀察是否有連續(xù)脫離膠帶移動(dòng)5cm 以上。測(cè)試是否具有暫停功能。

基本要求（4）：隨機(jī)設(shè)置靶紙粘貼位置及角度。一鍵啟動(dòng)，記錄巡線時(shí)間、移動(dòng)一周光斑偏離膠帶次數(shù)，觀察是否有連續(xù)脫離膠帶移動(dòng)5cm 以上。測(cè)試是否具有暫停功能。

發(fā)揮要求（1）：在規(guī)定位置范圍內(nèi)隨機(jī)放置自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。待運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)復(fù)位后一鍵啟動(dòng)，記錄追蹤時(shí)間、紅色綠色光斑之間的距離。測(cè)試是否具有暫停功能以及追蹤成功后是否有聲光提示。

發(fā)揮要求（2）：粘貼靶紙。同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，記錄追蹤時(shí)間、紅色綠色光斑之間的距離。測(cè)試是否具有暫停功能以及追蹤成功后是否有聲光提示。記錄追蹤過(guò)程中兩個(gè)光斑中心距離大于 3cm 和連續(xù)追蹤失敗3s 以上的次數(shù)。

■5.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表1～表6 所示。

表1 基本要求（1）測(cè)試結(jié)果

表2 基本要求（2）測(cè)試結(jié)果

表3 基本要求（3）測(cè)試結(jié)果

表4 基本要求（4）測(cè)試結(jié)果

表5 發(fā)揮要求（1）測(cè)試結(jié)果

表6 發(fā)揮要求（2）測(cè)試結(jié)果

■5.3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)完成了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)，且誤差都在誤差允許范圍內(nèi)。紅色激光一鍵復(fù)位中，由于屏幕是固定的，我們固定攝像頭，這樣復(fù)位的中心位置是確定的，相比于攝像頭隨云臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)該方法完成要求的精確度更高；對(duì)于循框功能，直接識(shí)別鉛筆線的誤差太大，在確定四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)后循框的精度提升很多，循框時(shí)間也相應(yīng)縮減；膠帶循跡對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是最難的部分，用舵機(jī)來(lái)控制傾斜的角度精度不夠，我們選擇采集大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)，擬合出對(duì)應(yīng)較好 的PWM 值，控制激光在膠帶范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)；追蹤系統(tǒng)中，黑膠帶會(huì)吞掉紅光的亮度，導(dǎo)致另一個(gè)攝像頭捕捉不到紅色激光，我們更換了一個(gè)長(zhǎng)鏡頭并調(diào)節(jié)曝光度，使得捕捉紅色激光點(diǎn)效果很好，在追蹤時(shí)，將紅色激光的移動(dòng)速度減慢，然后調(diào)節(jié)綠色激光位置PID 和相對(duì)中心點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)了較好的跟隨系統(tǒng)[6]。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采取了以O(shè)penMV 為控制核心，控制云臺(tái)進(jìn)行激光指示的方案。系統(tǒng)采用數(shù)字舵機(jī)搭配旋轉(zhuǎn)云臺(tái)以提高整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為精確對(duì)應(yīng)坐標(biāo)與PWM 的數(shù)學(xué)關(guān)系，在循跡的軟件部分中加入了擬合數(shù)值的修正，極大地提高了激光的指示精度；硬件部分采用電源供電、加入了自制穩(wěn)壓電源，按鍵功能豐富，整體結(jié)構(gòu)清晰高效、控制穩(wěn)定。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了誤差0.5cm 以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的快速控制與自動(dòng)追蹤，完成了整個(gè)題目的要求，且誤差遠(yuǎn)小于題目要求中的規(guī)定值。本次方案所需的軟硬件設(shè)計(jì)可行度較高，進(jìn)一步研究將會(huì)朝著系統(tǒng)優(yōu)化的方向進(jìn)行，如使用模糊PID 控制使舵機(jī)調(diào)節(jié)更加精確[7]、在視覺(jué)部分的算法添加IIR 濾波從而減小周邊光線變化帶來(lái)的影響等[8]。