湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息與通信工程學(xué)院 楊小龍 唐 傲 孫少聰 柳超凡 余 鵬 張 澳 羅晶凡 余 祥

結(jié)合2020年新冠狀病毒傳染病的流行，醫(yī)院很多醫(yī)護(hù)人員需要接觸和配送藥品與生活物資，這樣增加了醫(yī)護(hù)人員的傳染幾率，為了避免讓人直接接觸傳染源，本項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別的配送小車，該小車的主要目的是代替人工完成一些帶有危險(xiǎn)性的配送，例如送藥，送物資進(jìn)診室等等，本小車可以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別，識(shí)別物品的特征，并與目的地的特征對號入座，可以改變輸送的方式，應(yīng)用于更多的領(lǐng)域和范圍，前景廣闊。

1 課題簡介

2020年，湖北武漢發(fā)生重大疫情，一時(shí)間官方緊急封城，各地的醫(yī)護(hù)人員馳援武漢，一方有難，八方支援，在抗疫一線與病毒做著頑強(qiáng)的斗爭，與此同時(shí)，他們的家人，各地的人民，最擔(dān)心的就是他們自身的健康和是否會(huì)感染新冠疫情，本項(xiàng)目旨在最低限度的減少醫(yī)護(hù)人員這些一線奮斗的抗疫戰(zhàn)士的感染率，讓他們可以做到智能操控小車完成送藥，送物資的活動(dòng)，最大可能避免直接性接觸，從而讓醫(yī)護(hù)人員的安全得到進(jìn)一步的保障。在課題后期研究當(dāng)中期望加入智能化控制以及全景設(shè)備，使系統(tǒng)具有更高的智能性和更全面的信息采集，從而實(shí)現(xiàn)對人力資源的大幅度節(jié)約，讓疫情發(fā)生后的損失更為減少，為醫(yī)護(hù)安全提供進(jìn)一步的保障。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)由STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)，硬件方面由驅(qū)動(dòng)控制，WiFi遙控，OpenMV攝像頭，以及舵機(jī)構(gòu)成的機(jī)械臂模塊配合使用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，軟件方面利用了PID控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自由旋轉(zhuǎn)以及識(shí)別到目標(biāo)后的下一步動(dòng)作。同時(shí)加的WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離遙控，實(shí)現(xiàn)在2000m以內(nèi)可以任意指揮智能車的行動(dòng)，保持智能車的穩(wěn)定性和可控性。

2.1 系統(tǒng)簡介

智能送貨機(jī)器人系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制模塊，WiFi遙控模塊，OpenMV視覺處理模塊，以及舵機(jī)構(gòu)成的機(jī)械臂模塊四部分構(gòu)成，搭配外擴(kuò)控制以及電源管理，實(shí)現(xiàn)小車的精確控制。系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

2.2 器件的選型與比較

主控單片機(jī)選型：

系統(tǒng)單片機(jī)采用STM32F407V型號開發(fā)板，此開發(fā)板的優(yōu)勢在于采用Cortex M4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集，運(yùn)行速度高速；STM32F4系列擁有192KB的片內(nèi)SRAM，集攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高速OTG、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、OTP存儲(chǔ)器為一體，并且STM32F4具有更低的ADC/DAC工作電壓、更快的D/A速度、更低的ADC/DAC工作電壓、32位的定時(shí)器、帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、IO口的復(fù)用功能也大大提升以及更快的USART和SPI通信速度，與此同時(shí)STM32F4最高運(yùn)行頻率可達(dá)168Mhz，對于我們設(shè)計(jì)飛控更是綽綽有余，所以我們選擇F4系列作為主控，一是利用我們本身對STM系列有學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，其二在于性能各方面指標(biāo)能夠完美契合項(xiàng)目要求。

舵機(jī)的選型：

舵機(jī)有內(nèi)置的控制電路，它們的尺寸雖然很小，但輸出力夠大。像Futaba S-148這樣的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)能提供0.3N·m的扭矩，相對于它的外形大小來說這已經(jīng)足夠強(qiáng)大了。同時(shí)，舵機(jī)消耗的能量與機(jī)械負(fù)荷成正比。因此，一個(gè)輕載的舵機(jī)系統(tǒng)不會(huì)消耗太多的能量。考慮到本項(xiàng)目需要提起物資等生活必需品，我們選擇了S-148型舵機(jī)。

WiFi模塊的選型：

ESP8266是由樂鑫公司出品的一款物聯(lián)網(wǎng)芯片，價(jià)格較低，性能穩(wěn)定。該芯片有三種工作模式，以AT指令進(jìn)行操控。鑒于我們在學(xué)校中就利用ESP8266進(jìn)行過項(xiàng)目學(xué)習(xí)以及實(shí)地并不需要太遠(yuǎn)的操控距離，所以我們選擇了ESP8266WiFi模塊。

攝像頭模塊選型：

視覺處理主要使用OpenMV實(shí)現(xiàn)，OpenMV是一個(gè)開源可編程攝像頭模塊，利用MicroPython語言，而且攝像頭本身內(nèi)置STM32H7芯片，方便我們進(jìn)行編程和學(xué)習(xí)，從而更好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的確定識(shí)別。視覺處理模塊的用途主要用于對醫(yī)院視野的掌握和病房門牌號的識(shí)別，搭配定點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)對視野大范圍的把控，對目標(biāo)物能有一個(gè)迅速的識(shí)別。

3 智能送貨機(jī)器人系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1 軟件程序設(shè)計(jì)

（1）軟件程序設(shè)計(jì)流程（圖2）

圖2 程序流程框圖

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制原理：

舵機(jī)控制模塊是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。通過PID算法傳回的數(shù)據(jù)，它在每個(gè)控制周期內(nèi)解析數(shù)據(jù)并對OpenMV傳回的姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，得到小車的位置信息和工作狀態(tài)，計(jì)算出控制量，從而控制驅(qū)動(dòng)四個(gè)舵機(jī)工作，保持小車穩(wěn)定正確前進(jìn)。

電源管理：

電源由一塊12.3～13.8V的航模電池提供，給四個(gè)舵機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向自由度的自由轉(zhuǎn)變，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)小車狀態(tài)的調(diào)整以及對小車工作時(shí)長的長待機(jī)功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試、測試結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試完成后，每個(gè)方向的舵機(jī)能完成360°自由度的翻轉(zhuǎn)和抓取動(dòng)作，攝像儀模塊能夠通過OpenMV傳回視覺數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋所看到的景象以及識(shí)別到目標(biāo)物體，做出反應(yīng)動(dòng)作，送出所需的貨物以及對上位機(jī)進(jìn)行反饋，讓使用者了解到現(xiàn)在的送貨情況，系統(tǒng)調(diào)試完成無誤。

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)過程序編寫和調(diào)試之后我們對攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析與糾正，OpenMV可以正常的識(shí)別目標(biāo)物體，實(shí)驗(yàn)中用藍(lán)色門牌作為標(biāo)志進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)OpenMV攝像頭能夠準(zhǔn)確的捕捉到目標(biāo)物體。OpenMV視覺處理模塊數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 OpenMV視覺處理模塊數(shù)據(jù)圖

4.3 結(jié)論

項(xiàng)目測試結(jié)果基本符合我們的預(yù)期，我們也期望在后期的學(xué)習(xí)研究中對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的完善。后期我們擬在機(jī)器人上加入一個(gè)人機(jī)交互設(shè)備，讓機(jī)器人在進(jìn)入病房的時(shí)候，病人有需要的話對攝像頭直接喊話以及按機(jī)器人上的按鍵，告知醫(yī)護(hù)人員自己現(xiàn)在所遇到的問題，及時(shí)讓醫(yī)護(hù)人員收到病人的消息以及出現(xiàn)的問題。為處理事務(wù)提供便捷。一方面既能提供安全系數(shù)，另一方面能夠?qū)⒅悄芑膬?yōu)勢最大化，讓醫(yī)院和病人都能享受到二十一世紀(jì)高科技時(shí)代的便利，推動(dòng)信息化時(shí)代的發(fā)展。