【基于OPENMV的自動(dòng)駕駛小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)（論文）11000字】

共NUM頁基于OPENMV的自動(dòng)駕駛小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】本課程設(shè)計(jì)基于OpenMV機(jī)器視覺模塊，通過0V7725攝像頭和超聲波傳感器采集路況信息,以STM32單片機(jī)作為控制核心,采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車行進(jìn)方向與速度的控制；并通過WIFI模塊通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)小車的遠(yuǎn)程監(jiān)控,小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N雙橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，電機(jī)采用直流減速電機(jī)，這種電機(jī)體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單使用方便，能夠較好的滿足系統(tǒng)要求。經(jīng)調(diào)試驗(yàn)證,結(jié)果表明智能小車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述功能，具有一定的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性,對(duì)自動(dòng)駕駛進(jìn)行了較好的模擬.【關(guān)鍵詞】OPENMVPID控制STM32單片機(jī)目錄TOC\h\z\u\t"標(biāo)題1,1,標(biāo)題2,2,標(biāo)題3,3"28302第1章緒論 1325921.1研制的目的及意義 18401.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 1128921.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 269361.4課題研究?jī)?nèi)容以及論文的安排結(jié)構(gòu) 318984第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 424475第3章硬件電路設(shè)計(jì) 5235663.1主控模塊 55783.1.1晶振電路 518403.1.2復(fù)位電路 6294963.2電機(jī)模塊 7231273.3攝像頭模塊 841683.4超聲波避障模塊 996623.5電源模塊 1050993.6人機(jī)交互模塊 1198第4章軟件電路設(shè)計(jì) 1435744.1計(jì)算機(jī)語言簡(jiǎn)介 14175384.1.1C語言簡(jiǎn)介 14149674.1.2MicroPython語言簡(jiǎn)介 1495914.2主程序流程圖 15288724.3OPENMV攝像頭算法設(shè)計(jì) 17207584.4電機(jī)PID調(diào)節(jié) 1929659第5章設(shè)計(jì)總結(jié) 2124875參考文獻(xiàn) 22緒論近些年來，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)和各項(xiàng)傳感類技術(shù)也得到了廣泛的運(yùn)用。本章主要說明智能小車研制的目的及意義以及基于OpenMV的智能小車在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并且給出了本文主要研究?jī)?nèi)容和后續(xù)論文結(jié)構(gòu)的安排。1.1研制的目的及意義隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和人工智能的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。智能小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等等的用途。通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐的過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用算法實(shí)現(xiàn)小車的智能控制。靈活的運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論和實(shí)際的統(tǒng)一。在此過程中，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。且該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、娛樂等許多方面。尤其是在玩具機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)——它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。隨著機(jī)器視覺領(lǐng)域快速發(fā)展，開源的機(jī)器視覺模塊層出不窮。相比于光電、電磁傳感器，攝像頭采集的圖像不易受外部環(huán)境的光線影響，能夠更加準(zhǔn)確充分地反映實(shí)時(shí)路況信息。因此，本文將開源的OpenMV模塊應(yīng)用于智能小車，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬無人駕駛智能小車系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)對(duì)道路環(huán)境進(jìn)行感知，控制器作出相應(yīng)判斷，從而控制執(zhí)行部分做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)能夠通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控小車的行駛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)小車的正常行駛。智能小車作為當(dāng)前無人駕駛智能車輛的仿真車，為我們研究模擬無人駕駛提供了基礎(chǔ)。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀西安電子科技大學(xué)郝建領(lǐng)碩士2007年的學(xué)位論文《無線遙控智能車控制系統(tǒng)》中寫到。日、美、意等國(guó)從多角度展開了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制的NavLab-5智能車，能夠完成傳感器信息融合，圖像理解和車體橫向控制等功能。另外該大學(xué)還研制出一種類似于行星探測(cè)車“流浪號(hào)”智能車，該智能車有多種環(huán)境感知能力，能在非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)、自推理等功能，并且能夠在沙漠中進(jìn)行自主控制和幾千公里以外人工遙控。ARGO試驗(yàn)車由意大利Parma大學(xué)的信息工程系研制，蓋茨由福特轎車改制而成，該車應(yīng)用立體視覺檢測(cè)和定位車輛行駛前方障礙，通過單目圖像來得到車輛前方道路的幾何參數(shù)，通過I/O板來獲得車輛的速度及其他數(shù)據(jù)，在2000年意大利汽車百年行活動(dòng)中，該車自動(dòng)行駛了2000千米。吉林大學(xué)回姝2009年碩士論文《某專用車輛速度無線控制技術(shù)的研究》中寫道1995年，法國(guó)國(guó)防采購局地面武器管理處與新成立的一家聯(lián)合公司GIB.SYRANO研制一種戰(zhàn)場(chǎng)偵察用的機(jī)器人，這是一臺(tái)小型無人駕駛車輛，該車通過無線電及光纜與控制臺(tái)通信聯(lián)絡(luò)，操作人員可從控制臺(tái)對(duì)車輛進(jìn)行遙控，通過攝像頭對(duì)圖像進(jìn)行采集，然后進(jìn)行無線圖像的傳輸，反饋到控制臺(tái)，控制者通過顯示出的圖像信號(hào)進(jìn)行操作，把控制信號(hào)通過無線方式傳輸出去，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視控制其執(zhí)行任務(wù)。1.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀無人駕駛產(chǎn)業(yè)將是我國(guó)對(duì)美歐日等傳統(tǒng)汽車大國(guó)實(shí)現(xiàn)變道超車的重要領(lǐng)域。我國(guó)無人駕駛產(chǎn)業(yè)需求巨大、規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng),但是人才缺口和尚不完善的法律仍是制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙。無人駕駛產(chǎn)業(yè)改變了就業(yè)結(jié)構(gòu),促使我國(guó)行政法律制度更加完善的同時(shí),也對(duì)人類的身體機(jī)能、現(xiàn)有交通秩序和網(wǎng)絡(luò)安全等方面提出新的挑戰(zhàn)。華東科技大學(xué)林風(fēng)濤碩士2008年學(xué)位論文《智能車的視覺導(dǎo)航與路徑規(guī)劃研究》中提到，我國(guó)智能車的研究起步比較晚，目前已取得很大進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家的水平還有一定的差距。目前在國(guó)內(nèi)具有代表性的研究機(jī)構(gòu)和重要研究成果如下:在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，由清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“移動(dòng)導(dǎo)航車(THMR)課題組”研制的“THMR-V”的智能車?！癟HMR-V"'的智能車經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路跟蹤，復(fù)雜環(huán)境下道路避障、道路停障，視覺臨場(chǎng)感遙控駕駛等功能。2003年的測(cè)試中，THMR-V智能車在公路上車道線自動(dòng)跟蹤時(shí)平均速度100km/h，最高速度達(dá)到150km/h。缺點(diǎn)是只是在畫有清晰白線的結(jié)構(gòu)化道路上進(jìn)行車道跟蹤。國(guó)防科技大學(xué)從80年代末期開始跟蹤和研究車輛的自動(dòng)駕駛技術(shù)，先后研制了視覺導(dǎo)航自主車CITAVT系列無人駕駛車。CITAVT-IV是國(guó)防科技大學(xué)自動(dòng)化研究所研制的新一代地面無人駕駛車輛。CITAVT-IV型視覺導(dǎo)航自主車是以研究在結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下的自主駕駛技術(shù)為主要目標(biāo)，其中攝像機(jī)作為主要環(huán)境感知器，該車于2000年4月在長(zhǎng)沙市繞城公路上進(jìn)行了自主試驗(yàn)，最高車速達(dá)到了75.6km/h。試驗(yàn)中存在的主要問題是視覺系統(tǒng)對(duì)道路出口和橋梁出口的魯棒性不夠強(qiáng)，在經(jīng)過兩個(gè)出口時(shí)視覺系統(tǒng)將匝道認(rèn)作道路，在跨越湘江大橋時(shí)，視覺系統(tǒng)無法識(shí)別道路邊緣，需要人工糾正。吉林大學(xué)回姝2009年碩士論文《某專用車輛速度無線控制技術(shù)的研究》中寫道，在軍事領(lǐng)域，我國(guó)對(duì)遙控車輛的研制也非常重視，《高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃綱要》就把智能機(jī)器人列為自動(dòng)化技術(shù)的第二個(gè)重點(diǎn)課題，一些關(guān)鍵性技術(shù)都取得了較大進(jìn)展。2004年我國(guó)中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出“靈蜥”系列反恐防暴機(jī)器人。無線遙控專用車輛的運(yùn)行參數(shù)通過無線遙測(cè)裝置傳輸給操作者。目前，比較成熟的有山東理工大學(xué)與山推工程機(jī)械股份有限公司聯(lián)合研制的無線遙控推土機(jī)、國(guó)防科技大學(xué)研制的無線遙控振動(dòng)式壓路機(jī)等。雖然國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)是碩果累累,但智能車所能達(dá)到的智能化和自主化水平還比較低，還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化程度，不少方面還需要改進(jìn)和完善。1.4課題研究?jī)?nèi)容以及論文的安排結(jié)構(gòu)主要研究基于OPENMV的自動(dòng)駕駛小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文各節(jié)安排如下：第1章：緒論，主要介紹智能車的發(fā)展歷程和研究方向，最后介紹本文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排。第2章：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案第3章：硬件電路設(shè)計(jì)第4章：軟件電路設(shè)計(jì)第5章：設(shè)計(jì)總結(jié)。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、攝像頭圖像處理模塊、超聲波避障模塊、電源模塊、WIFW模塊以及PID算法實(shí)現(xiàn)智能小車車道保持功能，紅綠燈識(shí)別功能以及自動(dòng)避障停車功能。模擬實(shí)驗(yàn)中，道路采用雙黑線設(shè)計(jì)，設(shè)有直道、彎道和模擬紅綠燈，用于智能小車循跡行駛和紅綠燈識(shí)別；設(shè)置障礙物，用于測(cè)試智能小車的超聲波避障功能。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制和APP手動(dòng)控制兩種模式。本設(shè)計(jì)無人駕駛智能小車模擬系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器以及人機(jī)交互四部分組成。傳感器部分包括攝像頭模塊和超聲波測(cè)距模塊。攝像頭模塊采用雙攝像頭的設(shè)計(jì)，分別采用廣角攝像頭采集雙黑線的信息，長(zhǎng)焦攝像頭采集紅綠燈信號(hào)；超聲波測(cè)距模塊采集小車與障礙物之間的距離信息。采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過模塊處理后，通過串口將處理好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至小車的主控制器?？刂破鞑糠諷TM32單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，根據(jù)當(dāng)前路況實(shí)時(shí)的作出相應(yīng)的判斷，并給執(zhí)行器下發(fā)指令。執(zhí)行器部分為電機(jī)，主控制器采用PID控制算法，通過驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，可以使電機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而根據(jù)差速原理使車體產(chǎn)生前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。人機(jī)交互部分通過WIFI網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端APP與智能小車互聯(lián)，實(shí)時(shí)跟蹤智能小車的動(dòng)態(tài)，在緊急情況下，對(duì)智能小車進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，從而達(dá)到安全運(yùn)行的目的。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)路面信息的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且具有一定的抗干擾能力，從而給主控制器提供一個(gè)很好的決策依據(jù)。因此，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下模塊才能達(dá)到對(duì)智能小車控制的目的和效果，使小車能夠穩(wěn)定的行駛。其硬件模塊組成框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)模塊框圖

第3章硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控模塊圖1中主控制器采用STM32F103VCT6單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。STM32F103VCT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品，內(nèi)置256KB的Flash、48K的RAM、CRC計(jì)算單元，96位唯一ID,三個(gè)12bit，1μsA/D轉(zhuǎn)換器(最多16個(gè)通道)和兩個(gè)12bitDAC92通道；四個(gè)通用，兩個(gè)高級(jí)控制和兩個(gè)基本計(jì)時(shí)器，80個(gè)快速I/O端口，三個(gè)SPI，兩個(gè)I2C，五個(gè)USART，一個(gè)USB，一個(gè)SDIO和一個(gè)CAN接口，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到72MHz。指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的STM32系列單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度。圖3.2主控電路中通過控制三極管Q1的通斷來控制盤式喇叭是否正常工作，輸入高電平則三極管導(dǎo)通，輸入低電平則三極管截止。圖3.1主控電路圖3.2盤式喇叭3.1.1晶振電路晶振是一些電子設(shè)備需要頻率高度穩(wěn)定的交流信號(hào)的時(shí)候使其變得更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，晶振電路是能夠產(chǎn)生一種周期性波形的電路，如果頻率穩(wěn)定了，就可以通過分頻的方式實(shí)現(xiàn)定時(shí)，也就是時(shí)鐘信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用RTC晶振電路如下圖3.3所示，有一個(gè)8MHz的主晶振，直接插電就可以正常運(yùn)行了。圖3.3RTC晶振電路圖3.48Hz主晶振3.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路的功能就是根據(jù)芯片的要求，產(chǎn)生一個(gè)高電平或者一個(gè)低電平，并且保持一定的時(shí)間，激發(fā)芯片的復(fù)位功能，達(dá)到使芯片產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作的效果，為了避免電路出現(xiàn)故障，復(fù)位電路的啟動(dòng)手段如下：一是在給電路通電時(shí)馬上進(jìn)行復(fù)位操作，二是在必要時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)操作，三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)地進(jìn)行。當(dāng)需要手動(dòng)操作的時(shí)候，可以在RESET引腳上接一個(gè)低電平，時(shí)間超過2us即可。在圖3.3中可以看出，開關(guān)SW1為常開開關(guān)，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)開關(guān)為斷開狀態(tài)，此時(shí)RESET受上拉電阻R10的影響變成高電平，當(dāng)按下S1時(shí)，開關(guān)變成閉合狀態(tài)，引腳RESET則變?yōu)榈碗娖?，處于?fù)位狀態(tài)，這樣就可以完成芯片的手動(dòng)復(fù)位。圖3.5復(fù)位按鍵電路3.1.3開關(guān)、接口圖3.6為小車總制動(dòng)開關(guān)和LED工作指示燈的電路。按下開關(guān)后，小車開始運(yùn)行，工作指示燈亮起。圖3.7為SWD仿真燒寫接口，將用C51編寫的程序燒錄進(jìn)單片機(jī)里，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的控制。圖3.8中OLED為液晶顯示屏。圖3.6制動(dòng)燈開關(guān)&LED電路圖3.7SWD仿真燒寫接口圖3.8OLED顯示器接口3.2電機(jī)模塊本設(shè)計(jì)采用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每一個(gè)H橋都可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5V-48V，邏輯部分為5V供電，接受5VTTL邏輯電平。一般情況下，功率部分的電壓應(yīng)該大于6V，否則芯片可能不能正常工作。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可以達(dá)到50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。3.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)用直流減速電機(jī)作為智能小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩比較大，而且體積較小，重量也較輕，使用方便。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N來控制直流減速電機(jī)，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，單個(gè)芯片可以分別控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，并且具有過熱自動(dòng)關(guān)斷的功能和電流反饋檢測(cè)的功能，安全可靠。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能力大、操作方便、穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良。圖3.9中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中EN_A,EN_B為L(zhǎng)298N使能端（高電平有效，常態(tài)下用跳線帽接于VCC），可通過這兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速（使用PWM調(diào)速時(shí)取下跳線帽）?？梢钥刂齐姍C(jī)的停轉(zhuǎn)，當(dāng)EN_A為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制起作用，當(dāng)EN_A為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。同為低電平則電機(jī)停止，同為高電平則電機(jī)剎停。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的IN1,IN2,IN3,IN4分別與單片機(jī)的IO口相連，來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。VIN為電機(jī)供電電源接口，如果電機(jī)采用9V供電，那么電源正極接VIN，負(fù)極接GND即可。VCC為L(zhǎng)298N芯片供電5V，此模塊需要外接（最好取邏輯部分的電壓供電）。需要注意的是，L298N供電的5V如果是用另外電源供電的話，（即不是和單片機(jī)的電源共用），那么需要將單片機(jī)的GND和模塊上的GND連接在一起，只有這樣單片機(jī)上過來的邏輯信號(hào)才有個(gè)參考0點(diǎn)。圖3.8中的續(xù)流二極管IN4007起到保護(hù)電路的作用。圖3.9L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.2.2電機(jī)供電由于單片機(jī)的引腳輸出電壓微弱，所以需要連接繼電器，因?yàn)槔^電器供電不需要太大電壓，所以由繼電器向電機(jī)供電，進(jìn)行電壓隔離。圖3.10電機(jī)供電控制電路3.3攝像頭模塊OpenMV是一個(gè)功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，它相比于其他的視覺模塊，具有開源并且成本低的優(yōu)點(diǎn)。OpenMV攝像頭模塊以STM32F767CPU芯片以及OV7725攝像頭芯片為核心，在硬件模塊看上去很小巧情況下，通過Python語言有效的實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺的核心算法，實(shí)現(xiàn)OpenMV模塊的機(jī)器視覺功能。OpenMV上的機(jī)器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測(cè)、眼球跟蹤、邊緣檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤等?？梢杂脕韺?shí)現(xiàn)非法入侵檢測(cè)、產(chǎn)品的殘次品篩選、跟蹤固定的標(biāo)記物等。使用者僅需要寫一些簡(jiǎn)單的Python代碼，即可輕松的完成各種機(jī)器視覺相關(guān)的任務(wù)。小巧的設(shè)計(jì)，使得OpenMV可以用到很多具有創(chuàng)意的產(chǎn)品上。比如，可以給自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人提供周邊環(huán)境感知的能力；給智能小車增加視覺巡線的功能；給智能玩具增加識(shí)別人臉的功能，提高產(chǎn)品的趣味性等；甚至，可以給工廠產(chǎn)品線增加殘次品篩選的功能等。OpenMV采用的STM32F427芯片擁有豐富的硬件資源，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴(kuò)展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量的TF卡，可以用于存放程序和保存照片等。OpenMV的定位是“帶機(jī)器視覺功能的“Arduino”。它可以通過UART，I2C，SPI，AsyncSerial以及GPIO等控制其他的硬件，甚至是單片機(jī)模塊，如Arduino、RaspberryPi(樹莓派)等。它也可以被其他的單片機(jī)模塊控制。這個(gè)特點(diǎn)使得它可以很靈活的和其他流行的模塊進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品功能。OV7725，這是一款分辨率為30萬像素的CMOS攝像頭，由鏡頭,圖像傳感器、板載電路及下方的信號(hào)引腳組成。鏡頭部件包含一個(gè)鏡頭座和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)距離的凸.透鏡，通過旋轉(zhuǎn)可以調(diào)節(jié)焦距，正常使用時(shí)，鏡頭座覆蓋在電路板上遮光，光線只能經(jīng)過鏡頭傳輸?shù)秸醒氲膱D像傳感器，它采集光線信號(hào)，采集得的數(shù)據(jù)被緩存到攝像頭背面的FIFO緩存中，然后外部器件通過下方的信號(hào)弓|腳獲取拍攝得到的圖像數(shù)據(jù)。如果我們拆開攝像頭座，在攝像頭的正下方可看到PCB板上的一個(gè)方形器件，它是攝像頭的核心部件，型號(hào)為OV7725的CMOS類型數(shù)字圖像傳感器。該傳感器支持輸出最大為30萬像素的圖像(640x480分辨率)，它的體積小，工作電壓低，支持使用VGA時(shí)序輸出圖像數(shù)據(jù)，輸出圖像的數(shù)據(jù)格式支持YUV(422/420)、YCbCr422以及RGB565格式。它還可以對(duì)采集得的圖像進(jìn)行補(bǔ)償，支持伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等基礎(chǔ)處理。OV7725管腳作用如下：RSTB：系統(tǒng)復(fù)位管腳（低電平有效）；PWDN：掉電省電模式（高電平有效）；HREF：行同步信號(hào)；VSYNC：場(chǎng)同步信號(hào)；PCLK：像素時(shí)鐘；XCLK：系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端口；SCL：SCCB總線的時(shí)鐘線；SDA：SCCB總線的數(shù)據(jù)線；D0-D9：像素?cái)?shù)據(jù)端口。本設(shè)計(jì)中，采用廣角攝像頭拍攝跑道上的雙黑線并通過機(jī)器視覺算法分析得出小車與雙黑線中線的偏轉(zhuǎn)角度,實(shí)現(xiàn)車道保持功能；采用長(zhǎng)焦攝像頭在指定的距離范圍內(nèi)識(shí)別跑道上的交通信號(hào)燈信息，并將實(shí)時(shí)的交通信號(hào)燈狀態(tài)通過串口,上傳至主控器，主控制器根據(jù)攝像頭模塊上傳的數(shù)據(jù)作出判斷,從而控制小車的速度與啟停狀態(tài)。圖中TXD為發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RXD為接收數(shù)據(jù)引腳，實(shí)現(xiàn)智能收發(fā)芯片。圖3.11攝像模塊電路3.4超聲波避障模塊考慮到本系統(tǒng)只是模擬簡(jiǎn)單的路況環(huán)境，只需要檢測(cè)車體前方的障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境，故采用集成超聲波測(cè)距模塊HC-SR04。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。HC-SR04超聲波模塊常用于機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車場(chǎng)檢測(cè)等場(chǎng)所。其使用方便，便于操作和調(diào)試，因此本文用于小車測(cè)距，以此實(shí)現(xiàn)避障。HC-SR04超聲波模塊主要是由兩個(gè)通用的壓電陶瓷超聲傳感器，并加外圍信號(hào)處理電路構(gòu)成的。兩個(gè)壓電陶瓷超聲傳感器，一個(gè)用于發(fā)出超聲波信號(hào)，一個(gè)用于接收反射回來的超聲波信號(hào)。由于發(fā)出信號(hào)和接收信號(hào)都比較微弱，所以需要通過外圍信號(hào)放大器提高發(fā)出信號(hào)的功率，和將反射回來信號(hào)進(jìn)行放大，以能更穩(wěn)定地將信號(hào)傳輸給單片機(jī)。超聲波模塊有4個(gè)引腳，分別為Vcc、Trig(控制端)、Echo(接收端)、GND；其中VCC、GND接上5V電源，Trig(控制端)控制發(fā)出的超聲波信號(hào)，Echo(接收端)接收反射回來的超聲波信號(hào)?？刂圃恚和ㄟ^Trig(控制端)引腳發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，就可以在Echo(接收端)接收口等待高電平輸出；一有輸出就可以打開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀取定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。如此不斷的周期測(cè)量，就可以達(dá)到小車移動(dòng)測(cè)量的值了。圖3.12中RX接收，TX發(fā)送，小車的安全距離設(shè)定為20cm，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到車體前方出現(xiàn)障礙物，接收探頭接收傳到單片機(jī)，蜂鳴器響，且距離小于安全距離，主控制器立即調(diào)整小車的速度直至停止。圖3.12HC-SR04超聲測(cè)距模塊3.5電源模塊電源電路的作用是為整個(gè)小車系統(tǒng)供電，電源模塊是小車的核心生命源，為保證小車工作穩(wěn)定，采用兩節(jié)電壓為12.6V的12680型鋰電池進(jìn)行雙電源供電。因?yàn)閱纹瑱C(jī)供電為3.3V，所以將電池電壓用7805穩(wěn)壓電源降壓、穩(wěn)壓到5V后（如圖3.13）再用三端穩(wěn)壓管CJA1117B降壓、穩(wěn)壓到3.3V（如圖3.14）給單片機(jī)系統(tǒng)及其他模塊供電。圖3.13電源供電電路圖3.14電源供電電路（1）7805三端穩(wěn)壓芯片7805是一款常用的三端穩(wěn)壓集成電路，它的使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源。7805顧名思義，05就是輸出電壓為5V，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。12V轉(zhuǎn)5V的7805穩(wěn)壓電路,兩支電容都是需要的，輸出端若無電容，7805極易產(chǎn)生自激振蕩，而輸入端若無電容，則由于輸出電容儲(chǔ)存的電壓在關(guān)機(jī)的瞬間不會(huì)完全放掉，當(dāng)輸入斷電后會(huì)造成輸入輸出兩端電壓倒置，容易損壞穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓管CJA1117B-3.3VCJA1117B-XXX是一系列低壓差三端穩(wěn)壓器，在1A輸出\t"/soft/49/kongzhi/2021/_blank"電流下的壓降為1.15V。CJA1117B-XXX系列提供電流限制和熱關(guān)機(jī)功能。它的\t"/soft/49/kongzhi/2021/_blank"電路包括一個(gè)修剪繃帶。確保輸出電壓精度在1.5%以內(nèi)的基準(zhǔn)。電流限制被修剪，以確保指定的輸出電流和受控\t"/soft/49/kongzhi/2021/_blank"短路電流。片內(nèi)熱關(guān)機(jī)提供保護(hù)，防止過載和環(huán)境溫度的任何組合，從而產(chǎn)生過高的結(jié)溫。CJA1117B-XXX有一個(gè)可調(diào)版本，只需2個(gè)外部\t"/soft/49/kongzhi/2021/_blank"電阻器即可提供1.25V到5V的輸出電壓。本設(shè)計(jì)采用了CJA1117B-3.3V的三端穩(wěn)壓管將電壓從5V降到3.3V。3.6人機(jī)交互模塊Wi-Fi(WirelessFidelity,無線高保真)是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是IEEE802.11b，屬于短距離無線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面要差一些，但在電波的覆蓋范圍卻很廣，可達(dá)100m左右。智能小車與手機(jī)APP之間通過WIFI進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的控制。數(shù)據(jù)通信協(xié)議由8個(gè)字節(jié)構(gòu)成，具體通信協(xié)議如下表1所示。通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對(duì)小車的控制以及小車運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳。表3.1小車與手機(jī)APP通信協(xié)議字節(jié)名稱內(nèi)容含義12345678包頭模式指令數(shù)據(jù)校驗(yàn)和包尾0x550x00/0xFF0x00/0xFF0xXX0xXX0xXX0xXX0xAA自動(dòng)模式/手動(dòng)模式小車啟動(dòng)/停止測(cè)距結(jié)果紅綠燈識(shí)別結(jié)果控制方向命令本系統(tǒng)的WIFI模塊選用RM04無線模塊，是低成本高性能嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊，由電源模塊供電。本模塊主要實(shí)現(xiàn)的是小車與手機(jī)APP間的通信，將小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)和路況信息通過無線信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端，并接收手機(jī)APP發(fā)送過來的控制指令。圖3.15WIFI模塊電路第4章軟件電路設(shè)計(jì)4.1計(jì)算機(jī)語言簡(jiǎn)介本文主要使用了兩種計(jì)算機(jī)語言，分別為C語言以及Micro

Python語言。4.1.1C語言簡(jiǎn)介C語言是一門\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"面向過程的\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"計(jì)算機(jī)編程語言，誕生于美國(guó)的\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"貝爾實(shí)驗(yàn)室，由丹尼斯·里奇（DennisMacAlistairRitchie）以\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"肯·湯普森（KennethLaneThompson）設(shè)計(jì)的\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"B語言為基礎(chǔ)發(fā)展而來，在它的主體設(shè)計(jì)完成后，湯普遜和里奇用它完全重寫了UNIX，且隨著UNIX的發(fā)展，c語言也得到了不斷的完善。與\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"C++、\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"Java等\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"面向?qū)ο缶幊陶Z言有所不同。C語言的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一種能以簡(jiǎn)易的方式\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"編譯、處理低級(jí)\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"存儲(chǔ)器、僅產(chǎn)生少量的\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"機(jī)器碼以及不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持便能運(yùn)行的編程語言。C語言描述問題比匯編語言迅速、工作量小、可讀性好、易于\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"調(diào)試、修改和移植，而\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"代碼質(zhì)量與\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"匯編語言相當(dāng)。C語言一般只比匯編語言代碼生成的\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"目標(biāo)程序效率低10%-20%。因此，C語言可以編寫\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"系統(tǒng)軟件。

當(dāng)前階段，在編程領(lǐng)域中，C語言的運(yùn)用非常之多，它兼顧了\t"/item/c%E8%AF%AD%E8%A8%80/_blank"高級(jí)語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn)，相較于其它編程語言具有較大優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序編寫是C語言應(yīng)用的兩大領(lǐng)域。同時(shí)，C語言的普適較強(qiáng)，在許多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中都能夠得到適用，且效率顯著。本設(shè)計(jì)中，總體程序使用C語言進(jìn)行編寫。4.1.2MicroPython語言簡(jiǎn)介Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，它由荷蘭人GuidovanRossum于1989年發(fā)明，第一個(gè)公開發(fā)行版發(fā)行于1991年。設(shè)計(jì)者開發(fā)時(shí)總的指導(dǎo)思想是，對(duì)于一個(gè)特定的問題，只要有-

-種最好的方法來解決就好了。

Python是純粹的自由軟件，源代碼和解釋器CPython遵循GPL(GNU

General

PublicLicense)協(xié)議。Python語法簡(jiǎn)潔清晰，特色之一是強(qiáng)制用空白符(white

space)作為語句縮進(jìn)。

Python具有豐富和強(qiáng)大的庫。它常被昵稱為膠水語言，能夠把用其他語言制作的各種模塊(尤其是C/C++)很輕松地聯(lián)結(jié)在一起。常見的一種應(yīng)用情形是，使用Python快速生成程序的原型(有時(shí)甚至是程序的最終界面)，然后對(duì)其中有特別要求的部分，用更合適的語言改寫。但是在使用擴(kuò)展類庫時(shí)需要考慮平臺(tái)問題，某些可能不能跨平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。Python在設(shè)計(jì)上堅(jiān)持了清晰劃一的風(fēng)格，這使得Python成為一門易讀、易維護(hù)，并且被大量用戶所歡迎的、用途廣泛的語言。

2017年7月20日，IEEE

發(fā)布2017年編程語言排行榜：Python高居首位。

Micro

Python語言是Python中的一種精簡(jiǎn)和高效的實(shí)現(xiàn)編程語言，它包含了Python標(biāo)準(zhǔn)庫的一個(gè)小子集，并且進(jìn)行了在微控制器和受限環(huán)境中的運(yùn)行上的優(yōu)化。借助MicroPython,用戶可以通過編譯Python腳本語言來實(shí)現(xiàn)硬件底層的訪問和控制，比如控制LED燈泡、LCD顯示器、訪問SD卡、讀取電壓以及控制電動(dòng)機(jī)等。在本設(shè)計(jì)中，只有攝像頭模塊運(yùn)用了Python語言。4.2主程序流程圖主控制器STM32的主程序流程圖如下圖4.1所示。小車上電后首先進(jìn)行初始化，初始化主要包括：設(shè)置最小安全距離、小車的前進(jìn)速度等參數(shù)初值、外部中斷初始化、定時(shí)器初始化、WIFI模塊以及串口的初始化；然后打開定時(shí)器中斷和串口接收中斷，當(dāng)定時(shí)器中斷響應(yīng)后如圖4.2所示，設(shè)定標(biāo)志位Timeflag=1。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入WIFI串口接收中斷后，如圖4.3所示，首先判斷是否接收到APP下發(fā)的指令數(shù)據(jù)，對(duì)接收到APP下發(fā)的指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若CRC校驗(yàn)正確則反饋接收的正確信息并解析指令，然后將解析出的控制指令發(fā)送至控制模塊；若CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則向上反饋接收信息錯(cuò)誤并清除數(shù)據(jù)，然后再回到重新接收APP下發(fā)的指令，并重復(fù)上述過程。主程序中，首先根據(jù)串口中斷接收到的指令數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的控制模式。若為自動(dòng)模式，直接進(jìn)行超聲波傳感器測(cè)距和攝像頭模塊的數(shù)據(jù)采集，主控制器通過超聲波測(cè)距模塊返回的測(cè)距時(shí)間，分析得出小車與障礙物之間的距離，并判斷是否滿足安全距離；同時(shí)，攝像頭模塊可根據(jù)得到的相關(guān)指令或者數(shù)據(jù)直接處理得出的小車與雙黑線中線的偏轉(zhuǎn)角并將其通過串口傳至主控制器，采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制發(fā)送PWM信號(hào)輸出以控制電機(jī)速度，從而實(shí)現(xiàn)小車的下一步運(yùn)動(dòng)行為；若為手動(dòng)模式，直接執(zhí)行手機(jī)APP下發(fā)的指令，根據(jù)相應(yīng)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。小車行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到WIFI模塊，并通過WIFI模塊傳至手機(jī)APP。圖4.1主程序流程圖圖4.2定時(shí)器中斷服務(wù)程序圖4.3串口接收服務(wù)程序4.3OPENMV攝像頭算法設(shè)計(jì)廣角攝像頭主要負(fù)責(zé)車道保持功能(即雙黑線循跡)算法流程圖如圖4.4所示，首先模塊上電開啟，開啟攝像頭后進(jìn)行讀取灰度圖像，并同時(shí)關(guān)閉圖像白平衡，依次對(duì)視頻幀進(jìn)行處理，當(dāng)ROI區(qū)域內(nèi)識(shí)別到道路線時(shí),用矩形框?qū)⒕€路框出，在STM32f765上計(jì)算出雙黑線中線與小車的偏轉(zhuǎn)角，將計(jì)算好的數(shù)值發(fā)送給主控制器，以供小車進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)車道保持功能；當(dāng)ROI區(qū)域內(nèi)沒有識(shí)別到道路線時(shí),則返回重新讀取視頻幀并繼續(xù)后續(xù)操作。圖4.4廣角攝像頭軟件流程圖長(zhǎng)焦攝像頭負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)紅綠燈識(shí)別，軟件流程圖如圖所示。上電后開啟攝像頭，讀取彩色RGB圖像，并關(guān)閉白平衡，然后對(duì)紅綠等顏色閾值進(jìn)行設(shè)定和ROI識(shí)別區(qū)域的設(shè)定，讀取視頻幀然后判斷圖像內(nèi)是否出現(xiàn)紅綠燈，若出現(xiàn)紅綠燈，在ROI區(qū)域內(nèi)用矩形框框出，并根據(jù)圖像原理計(jì)算出燈與車之間的距離，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控制器STM32F103來判斷是否需要停車。主控制器根據(jù)串口接收到的攝像頭發(fā)送來的交通燈狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果信號(hào)燈為綠燈，則執(zhí)行車道保持的操作；如果信號(hào)燈為紅燈，則執(zhí)行停車的操作；若沒有出現(xiàn)紅綠燈則返回重新讀取視頻幀并繼續(xù)進(jìn)行上述操作。圖4.5紅綠燈識(shí)別算法流程圖4.4電機(jī)PID調(diào)節(jié)電機(jī)PID調(diào)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)小車在車道保持時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和速度的控制，即保持小車前進(jìn)方向與車道中線的偏轉(zhuǎn)角為零。PID控制框圖如圖所示，將設(shè)定值定為零。根據(jù)攝像頭模塊返回至主控制器的小車偏轉(zhuǎn)角與設(shè)定值做差可得PID調(diào)節(jié)的輸入偏差值，位置PID控制器的輸出值為控制電機(jī)運(yùn)行的PWM信號(hào)，計(jì)算方法如下式

其中，θ(t)代表本次偏差；θ(t-1)代表上一次的偏差；代表θ(t)以及之前的偏差的累積和:t為1,2,…,t；pwm代表輸出。圖3.1PID控制框圖PID控制器輸出的PWM信號(hào)控制直流電機(jī)運(yùn)行。設(shè)定小車正常直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的PWM閾值，當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)小車左右兩輪電機(jī)對(duì)分別加減PID輸出的PWM信號(hào)，保證左右車輪實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，從而保證小車順利通過彎道，并通過攝像頭模塊實(shí)時(shí)返回偏轉(zhuǎn)角。第5章設(shè)計(jì)總結(jié)我國(guó)無人駕駛產(chǎn)業(yè)需求巨大、規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng),因