林展鵬 何守文 黃仁成

摘 要 針對兒童因意外事故而造成死亡發(fā)生率不斷提高的現(xiàn)象，設(shè)計了一款通過樹莓派和攝像頭，超聲波傳感器等進(jìn)行監(jiān)測和通過GPS定位的智能巡邏機(jī)器人。該系統(tǒng)通過STM32主控制器與輔助元器件相互協(xié)調(diào)，可以實現(xiàn)循跡、避障、PID智能調(diào)速、實時傳輸圖像與精準(zhǔn)定位等功能，機(jī)器人通過樹莓派與攝像頭進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)測，判斷兒童是否存在意外事故等安全隱患，通過GPS定位和無線傳輸，準(zhǔn)確且及時地發(fā)出警報和報警，從而有效地保證兒童的安全。

關(guān)鍵詞 STM32;PID;樹莓派;巡邏機(jī)器人

引言

意外和明天，我們永遠(yuǎn)不知道哪個先來;在當(dāng)今社會中，幾乎到處都存在發(fā)生意外事故的可能性。意外事故影響著我國兒童生命安全、生活質(zhì)量和身體健康。據(jù)調(diào)查表明在我國，兒童意外事故已成為0-14歲兒童最主要的死亡原因。對兒童而言，多數(shù)兒童的意外事故是發(fā)生在兒童活動最多的地方——各類游玩休閑場所，兒童游玩時大多情況監(jiān)護(hù)人不在場，缺少保護(hù)，并且傳統(tǒng)的游戲形式無法滿足他們，他們由于天性可能會創(chuàng)造一些危險的游戲形式，其中難免存在一定的安全隱患，如攀爬樹木、在湖邊等水域較深或者有漏電風(fēng)險的區(qū)域護(hù)欄邊嬉戲甚至翻越等危險行為;由此看來，兒童的健康問題已經(jīng)不僅僅是生存問題，更重要的是保護(hù)問題，即使傳統(tǒng)的防護(hù)措施充足，兒童意外事故的發(fā)生也是屢禁不止[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用在很多方面，而本文就兒童安全的防護(hù)，結(jié)合嵌入式技術(shù)設(shè)計一款以STM32為主控板，利用樹莓派加攝像頭、GPS定位模塊、超聲波等傳感器的智能巡邏機(jī)器人，將智能巡邏機(jī)器人應(yīng)用于監(jiān)測玩樂區(qū)兒童安全的工作，從而減少意外事故的發(fā)生。

1系統(tǒng)框架與組成

1.1 系統(tǒng)框架

智能巡邏機(jī)器人采用STM32芯片為主控核心，用OpenCV攝像頭采集畫面數(shù)據(jù)，發(fā)送給樹莓派進(jìn)行快速處理，結(jié)合超聲波傳感器、GPS定位，利用人工智能算法對兒童的行為進(jìn)行畫面分析，做出相應(yīng)的措施。智能巡邏機(jī)器人主要在特定規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)巡邏， 利用超聲波傳感器和攝像頭檢測前方路況，在提前設(shè)置好兒童特定的游玩區(qū)域內(nèi)做出路線規(guī)劃并巡視，以免碰到行人，巡視過程中也會全程錄像。同時攝像頭監(jiān)測兒童，當(dāng)兒童即將發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生意外事故時，智能巡邏機(jī)器人會發(fā)出語音警報并向終端發(fā)送GPS定位和報警，從而降低兒童在游玩場所發(fā)生事故的概率或及時處理發(fā)生的意外事故。具體實現(xiàn)方案如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)組成

我們所設(shè)計的智能巡邏機(jī)器人主要由兩部分組成：第一部分是硬件的設(shè)計，第二部分是上位機(jī)和算法的開發(fā)。這使得該系統(tǒng)具有完整的傳感器系統(tǒng)、運動控制算法、GPS定位和實時通信能力，硬件部分中，系統(tǒng)配備有核心控制板模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、樹莓派攝像頭模塊等，算法開發(fā)中，使用了障礙檢測算法、循跡算法、PID算法、OpenCV圖像識別算法等。

2硬件組成與設(shè)計

2.1 核心控制板模塊

在主控芯片選擇時，我們選擇了功能豐富、高性能、低功耗、接口多的STM32，STM32是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計推出的以ARM Cortex-M為內(nèi)核的32位控制器，本系統(tǒng)選擇的是32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，該芯片具有72MHz的速度和高達(dá)1MB的閃存，不僅成本低且性能好，廣泛應(yīng)用于高集成度的電路系統(tǒng)中[2]。而且該芯片具有電源管理電路，處理器運行電壓可從2V到3.6V，具有多種復(fù)位保護(hù)措施，有很強(qiáng)的移植以及拓展性，綜合以上滿足本系統(tǒng)需求，因此選用此款芯片。

2.2 傳感器模塊

傳感器采用超聲波模塊，對于路況，超聲波測距是一種有效的非接觸測距方法，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，可以以一定頻率的超聲波并借助空氣媒質(zhì)傳播，且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，到達(dá)障礙物后會反射回來，因此可以通過計算傳輸時間得出距離[3]。將超聲波傳感器安裝在機(jī)器人的四個方位并進(jìn)行連續(xù)掃描，當(dāng)距離低于設(shè)定距離時，就會控制電機(jī)執(zhí)行后退，從而實現(xiàn)機(jī)器人的避障和避讓行人。

2.3 樹莓派攝像頭模塊

樹莓派（Raspberry Pi 4B）是一款基于ARM的微型電腦主板，它能替代日常桌面計算機(jī)多種用途（如播放高清視頻，編程，文字處理等），我們的智能巡邏機(jī)器人是通過樹莓派和攝像頭模塊完成循跡從而正常行駛和巡邏，而樹莓派主要作用是負(fù)責(zé)處理攝像頭傳回的圖像數(shù)據(jù)[4]。

3上位機(jī)和算法開發(fā)

3.1 障礙檢測算法

當(dāng)智能巡邏機(jī)器人工作時，超聲波傳感器會對周圍環(huán)境進(jìn)行連續(xù)掃描，超聲波模塊會對周圍發(fā)射方波，并檢測是否有方波返回，若檢測到方波返回就會通過IO口產(chǎn)生高電平，而高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，通過計算公式就可以計算得到與障礙物的距離：距離=（高電平持續(xù)時間*聲速（340m/s））/2[5]。接著判斷距離是否小于所設(shè)定的距離，若不小于，則繼續(xù)之前的行動;否則，若小于，繼續(xù)判斷是否大于極限距離，如果小于極限距離，就驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)向，遠(yuǎn)離障礙;若大于極限距離，就減少PWM輸出占空比，驅(qū)動電機(jī)減速，遠(yuǎn)離障礙，然后繼續(xù)掃描周圍環(huán)境，從而形成一個障礙檢測循環(huán)。

3.2 循跡算法

本系統(tǒng)采用攝像頭完成循跡，智能巡邏機(jī)器人通過無線通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測前方路徑，利用樹莓派和攝像頭采集得到的前方路徑圖像信息，通過上位機(jī)將圖像二值化，二值化是指將RGB圖像轉(zhuǎn)為灰度圖，再根據(jù)預(yù)設(shè)的圖像HSV值判斷并將大于預(yù)設(shè)值置1，否則置0。接著由得到的二值化圖像信息采用PID算法控制電機(jī)，從而使智能巡邏機(jī)器人能夠行駛在預(yù)定的路徑。對比紅外循跡，采用攝像頭循跡將提高行駛過程中的穩(wěn)定性。

3.3 PID算法

智能巡邏機(jī)器人行駛過程中，有很多外界環(huán)境會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速有誤差，且各個電機(jī)本身的材質(zhì)不同，不同電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，為了同步每個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并穩(wěn)定在某個值，我們需要采用經(jīng)典的PID算法控制電機(jī)，從而使得電機(jī)穩(wěn)定的勻速運行[6]。

在PID算法控制過程中，通過設(shè)定的目標(biāo)值與反饋值進(jìn)行比較，計算得到偏差，接著根據(jù)偏差計算得到積分累加和和微分，最后根據(jù)公式計算得到PID輸出[7]。

PID控制方程式：

其中 Kp是比例增益;Ki是積分增益;Kd是微分增益;e（t）是偏差;u（t）是PID輸出。

3.4 OpenCV圖像識別算法

智能巡邏機(jī)器人采用了基于OpenCV的特征值提取信息來完成目標(biāo)的識別與鎖定。當(dāng)機(jī)器人開始工作時，樹莓派攝像頭開始運作，不斷捕獲每一幀圖像i形成視頻流，而每一幀圖像都會傳入OpenCV圖像識別算法，通過本系統(tǒng)設(shè)計的特征值提取出目標(biāo)（危險區(qū)域如假山）。

為了準(zhǔn)確提取出圖像中的信息，必須是對圖像每一幀進(jìn)行處理，在接收到截取的一幀圖像后，首先會調(diào)用OpenCV的顏色轉(zhuǎn)換函數(shù)：

cv.cvtColor（frame， hsv， CV_BGR2HSV）;//將RGB圖像轉(zhuǎn)為HSV圖像轉(zhuǎn)化為HSV圖像后，根據(jù)設(shè)定的HSV特征值將圖像二值化。

讀取HSV圖的3通道像素，更改灰度圖的1通道像素;在所截取的每一幀圖像中，確定HSV圖目標(biāo)像素的特征范圍，把灰度圖對應(yīng)坐標(biāo)的像素改為白色（255），否則為黑色（0）;如圖2 假山RGB圖二值化灰度圖對比。

識別完成后，會只保留感興趣的部分，當(dāng)確定目標(biāo)后，會將信息傳遞給STM32，以便STM32控制各個模塊從而實現(xiàn)監(jiān)測功能。

4結(jié)束語

本文就如何實現(xiàn)兒童安全防護(hù)的智能巡邏機(jī)器人做了詳細(xì)闡述，從硬件部分和算法設(shè)計兩方面分別介紹，各個模塊相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)超聲波自動測距避障、PID算法智能調(diào)速、樹莓派攝像頭動態(tài)監(jiān)測實時傳輸圖像的功能，最終達(dá)到預(yù)期要求，完成嵌入式技術(shù)在兒童安全防護(hù)中的結(jié)合與運用，未來將繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉億文，姚洪平，馬恒. 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子世界，2014（1）：34-35.

[4] 理查德，格里梅特. 樹莓派機(jī)器人實戰(zhàn)秘笈[M]. 北京：人民郵電出版社，2018：117.

[5] 姜麗軍. 超聲波測距儀的設(shè)計[J]. 消費電子，2014（10）：67-68.

[6] 林文建，鐘杭，黎福海，等. 兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測量與儀器學(xué)報，2013（8）：750-759.

[7] 張文君，盛維濤，袁宇鵬，等 智能輪式機(jī)器人離散模糊自適應(yīng)PID控制研究[J]. 制造業(yè)額自動化，2015（8）：5-8.

作者簡介

林展鵬（2000-），男，廣東汕尾人;畢業(yè)院校：廣東東軟學(xué)院，專業(yè)：電子信息工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：廣東東軟學(xué)院，研究方向：嵌入式。

何守文（2000-），男，廣東揭陽;畢業(yè)院校：廣東東軟學(xué)院，專業(yè)：電子信息工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：廣東東軟學(xué)院，研究方向：嵌入式。