陶筱云 張煒瑋 劉潤揚(yáng) 胡宇航

摘要：為解決老年人日常獨(dú)居在家的護(hù)理問題，緩解社會養(yǎng)老壓力，解放年輕生產(chǎn)力，需要一款能定時為處在指定地點(diǎn)的老人提供日常藥品或日常生活用品的智能家居?；赟TM32單片機(jī)，結(jié)合OPENMV智能攝像頭模塊和Apriltag識別的算法在小車定位方面研究較少，但較傳統(tǒng)GPS或傳感器定位精度更高，較SLAM算法操作更加簡便，結(jié)合藍(lán)牙APP能實(shí)現(xiàn)老年人日常居家所需的簡單護(hù)理操作。本設(shè)計主要討論智能小車基于Apriltag識別算法下尋找指令中固定目標(biāo)或目標(biāo)地點(diǎn)的功能，在老年人居家養(yǎng)老方面具有重大意義。

關(guān)鍵詞：OPENMV;AprilTag;智能小車

0 引言

所謂“生老病死”是人生常態(tài)，人到老年難免會面臨行動力衰退、記憶力下降、病痛纏身等困擾，大多數(shù)老年人都需要長期服藥用以緩解病痛或維持身體機(jī)能。且現(xiàn)今社會壓力較大，年輕人大多在外務(wù)工，老年人獨(dú)居在家不僅提高了護(hù)理難度，還加大了社會養(yǎng)老壓力。

本設(shè)計希望能夠解決老年人行動不便、記憶力衰退帶來的忘記定時吃藥的問題，結(jié)合OPENMV攝像頭模塊和Apriltag識別，利用OPENMV自帶的智能算法與Apriltag類二維碼存儲量大、編碼范圍廣、容錯性高的特點(diǎn)及二維碼編碼的獨(dú)一性，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性較高的固定目標(biāo)識別。操作和設(shè)計簡單，在一般戶型下可以實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確性尋找到準(zhǔn)確目標(biāo)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

利用STM32F103RC單片機(jī)主控結(jié)合硬件設(shè)計，提高測算速度和精度。利用Apriltag自帶的算法實(shí)現(xiàn)小車對于固定目標(biāo)的“定位”功能，即可以輸出小車距離目標(biāo)地點(diǎn)處標(biāo)記二維碼中心的位置參量和角度參量;結(jié)合OPENMV攝像頭模塊，可實(shí)現(xiàn)對不同Apriltag的識別，實(shí)現(xiàn)小車尋找到固定目標(biāo)的功能。得到OPENMV 模塊輸出的參量后，通過串口，使主控STM32F103RC單片機(jī)和控制小車基本行進(jìn)的STC89C52RC單片機(jī)通信，加以條件判斷，即可實(shí)現(xiàn)小車在一般家庭戶型中自由行走，實(shí)現(xiàn)智能小車尋找固定目標(biāo)的功能。

2.AprilTag介紹

AprilTag是一個視覺基準(zhǔn)庫，近年來在AR、機(jī)器人、相機(jī)校準(zhǔn)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。共有六個種類，也稱六個家族：TAG16H5，TAG25H7，TAG25H9，TAG36H10，TAG36H11，ARTOOLKIT每個家族含至少30個id，至多2320個id，但家族內(nèi)包含id數(shù)量越多，AprilTag識別的準(zhǔn)確率就越高，通過選擇不同家族，可滿足對不同數(shù)量的編碼。可以通過網(wǎng)絡(luò)下載或OPENMV的IDE軟件隨機(jī)生成的方法獲得指定數(shù)量的AprilTag。

其檢測的方法主要是識別一四邊形區(qū)域，這一塊區(qū)域較周圍區(qū)域亮度更暗，通過其內(nèi)部亮塊的不同組合方式，識別到特定id。因此，黑色AprilTag較其他顏色識別準(zhǔn)確率更高。通過其內(nèi)置算法，用戶可以得到角度，3D坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)。本設(shè)計主要使用的是TAG36H11，也是應(yīng)用最廣泛的一個家族。

3.智能小車尋找固定目標(biāo)方法設(shè)計

小車的智能控制軟件系統(tǒng)主要包括：STM32主控部分、OPENMV攝像頭視覺識別部分、小車行進(jìn)控制部分。其中STM32主控部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和分析處理數(shù)據(jù);OPENMV攝像頭視覺識別部分主要負(fù)責(zé)AprilTag的識別和方向角度、3D位置的計算;52單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動部分主要負(fù)責(zé)左右轉(zhuǎn)向輪的控制。

3.1OPENMV攝像頭視覺識別部分

通過OPENMV對AprilTag識別后可得到六個變量，分別為xyz坐標(biāo)軸的三個變量，以及xyz坐標(biāo)軸上的三個偏量，即三個位置參量，三個角度參量。使用者可以通過MicroPython語言進(jìn)行編程，輸出所需變量，減少程序計算量，提高響應(yīng)速率，也減少錯誤的產(chǎn)生。

嘗試兩種方法：

（1）將AprilTag置于識別地點(diǎn)門框或墻面低處;

將AprilTag置于識別地點(diǎn)的門框或者墻面低處，openmv攝像頭與AprilTag距離更近，識別精度較高，但無法精確控制小車車身朝向，可能在小車自主避障之后出現(xiàn)行進(jìn)方向的偏差，目標(biāo)地點(diǎn)丟失等問題。

程序設(shè)計AprilTag通過串口發(fā)送id碼，yz坐標(biāo)到主控芯片。

（2）將AprilTag置于識別地點(diǎn)中心天花板;

將AprilTag置于識別地點(diǎn)中心的天花板上，可以通過AprilTag發(fā)送的角度參量對車身朝向和小車行進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，尋找固定目標(biāo)更加快速。但由于OPENMV攝像頭自身像素限制，屋頂過高可能出現(xiàn)識別不精確或難以識別的問題，但減小了AprilTag計算出的三維距離與實(shí)際距離存在誤差對小車找到固定目標(biāo)的影響。

程序設(shè)計AprilTag通過串口發(fā)送id碼，yz坐標(biāo)和三個角度參量到主控芯片。

OPENMV發(fā)出的參量與實(shí)際兩會有2-3厘米的誤差，將通過主控芯片，利用條件判斷控制合適的余量，盡量消除誤差帶來的影響。

3.2STM32主控部分

小車主開關(guān)閉合后，小車及其他附屬部分上電，將自主進(jìn)行定時器中斷初始化，并向52單片機(jī)傳送原地待定指令。然后打開與OPENMV的異步通信串口，接收OPENMV視覺系統(tǒng)掃描并計算得出的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)組中;同時打開接收語音識別指令和藍(lán)牙app指令的串口，接收到的指令為預(yù)先在程序內(nèi)設(shè)置好的固定地點(diǎn)數(shù)字代碼，主控芯片將把數(shù)字代碼與OPENMV傳來的AprilTag的id進(jìn)行匹配，若匹配成功，則將出數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組內(nèi)，供后續(xù)條件判斷，小車電機(jī)驅(qū)動使用;反之，匹配不成功，則輸出“error”，系統(tǒng)不進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算。

一般家庭門寬為80厘米至100厘米，為保證小車轉(zhuǎn)向距離足夠，且AprilTag傳出數(shù)據(jù)存在誤差，主控芯片接收到AprilTag傳來的參量（即小車當(dāng)前所處位置與目標(biāo)地點(diǎn)的距離）后，進(jìn)行相應(yīng)的條件判斷，同樣也分為兩種方法：

（1）若AprilTag置于識別地點(diǎn)門框或墻面低處，Z軸對應(yīng)值（即小車與目標(biāo)正前方直線距離）大于50厘米，主控芯片向52單片機(jī)發(fā)送前進(jìn)指令;反之小于50厘米，向52單片機(jī)發(fā)送停止指令。Y軸對應(yīng)值（即小車與目標(biāo)中心左右距離的差距）為正數(shù)，則小車向右轉(zhuǎn)90°后向前行進(jìn)該值-10的距離;若對應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則小車向左轉(zhuǎn)九十°后向前行進(jìn)該值-10的距離。

（2）若AprilTag置于識別地點(diǎn)中心天花板，Y軸對應(yīng)值（即小車與目標(biāo)正前方直線距離）大于10厘米，主控芯片向52單片機(jī)發(fā)送前進(jìn)指令;反之小于10厘米，向52單片機(jī)發(fā)送停止指令。X軸對應(yīng)值（即小車與目標(biāo)中心左右距離的差距）為正數(shù)，則小車向右轉(zhuǎn)90°后向前行進(jìn)該值-10的距離;若對應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則小車向左轉(zhuǎn)90°后向前行進(jìn)該值-10的距離。流程圖如圖1所示。

3.3小車行進(jìn)控制部分

小車的避障方案選擇中斷的方式，無論將APRILTAG置于天花板還是低處墻面均可使用。利用紅外傳感器，結(jié)合紅外測距算法，檢測到小車車頭前方15厘米處有障礙物后，52單片機(jī)控制左電機(jī)驅(qū)動左輪向右旋轉(zhuǎn)90°，再次利用紅外傳感器判斷前方20厘米內(nèi)是否存在障礙物，若前方無障礙物，則前進(jìn)20厘米，再驅(qū)動右輪向左旋轉(zhuǎn)90°回到正確方向;若前方存在障礙物，則再次驅(qū)動左電機(jī)，控制小車向右旋轉(zhuǎn)180°，后前進(jìn)20厘米，再驅(qū)動左輪向右旋轉(zhuǎn)90°回到正確方向。最后重新識別到AprilTag，重復(fù)主控芯片的指令。

4 結(jié)論

利用OPENMV攝像頭模塊與Apriltag，結(jié)合現(xiàn)有資料，進(jìn)行程序編寫。Apriltag二維碼放置的位置對攝像頭識別準(zhǔn)確性及距離測算的精度有較大影響，受限于攝像頭自身像素和Apriltag的大小及清晰度，當(dāng)Apriltag置于識別地點(diǎn)門框或墻面低處時，識別準(zhǔn)確度及距離測算精度都較高，但由于小車避障部分依靠紅外攝像頭和簡單程序編寫，在其完成避障操作的過程中可能會出現(xiàn)車身無法回正而丟失固定目標(biāo)或在空地較小的地方卡住的情況。當(dāng)Apriltag置于識別地點(diǎn)中心時，由于小車自身高度較矮，與正常家庭天花板距離為1.5米至2.5米，因此識別準(zhǔn)確度及距離測算精度較前一種方法更低，可以提高Apriltag的清晰度或適量放大來減小誤差;相較于前一中方法，將Apriltag置于識別地點(diǎn)中心可以通過發(fā)送角度參量來確定車身是否朝正，有利于車身在避障操作后回正，減小了丟失目標(biāo)的可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏勝杰，楊昊，艾偉清.基于Arduino單片機(jī)和OpenMV的顏色目標(biāo)定位與跟蹤小車的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報，2021，35（05）：59-64.

[2]姚志強(qiáng)，趙恩銘，楊松，楊燕婷，劉光宇，周豹，王辰，朱曉棟.基于OpenMV的目標(biāo)方位追蹤算法[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021（03）：14-18.

[3]史勇民，樓順天，安盼盼.基于視覺的傳感器位置記憶追蹤方法[J].應(yīng)用光學(xué)，2021，42（05）：853-858.

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目“康護(hù)智能小車”（項(xiàng)目號：202110066005）

作者簡介：陶筱云（2000-），女，本科生，測控技術(shù)與儀器專業(yè)。