《基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)》17000字（論文）

基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)TOC\o"1-3"\h\u57121緒論 6107131.1引言 6153931.2.1國外進(jìn)展 712311.2.2國內(nèi)進(jìn)展 8147592本文工作的主要內(nèi)容 815773.電子導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)的主要技術(shù) 10226463.1嵌入式系統(tǒng)技術(shù) 1039063.1.1嵌入式系統(tǒng)的簡介 1087513.1.2嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 10169383.1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用情況 1171443.2.1關(guān)于STM32芯片的介紹 11219683.2.2STM32的技術(shù)突出優(yōu)勢 12138563.2.3STM32的應(yīng)用 131973.3圖像識別 13238223.4基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的硬件設(shè)計(jì) 15222053.5本章小結(jié) 16134384系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1760144.1控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì) 1791274.2單片機(jī)最小系統(tǒng)組成 1886694.3盲道循跡電路的設(shè)計(jì) 21144914.4避障電路設(shè)計(jì) 2151044.4.1紅外線避障電路設(shè)計(jì) 22266834.4.2超聲波避障電路設(shè)計(jì) 23106654.5電機(jī)模塊 2758534.6濕度傳感器電路設(shè)計(jì) 28136864.7視覺傳感器電路設(shè)計(jì) 29304634.8斑馬線識別 36108984.9紅綠燈識別 39304015基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39120765.1開發(fā)環(huán)境介紹 40312265.2軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 4073186結(jié)論 4717942參考文獻(xiàn) 491緒論1.1引言盲人基數(shù)非常大，對于盲人來說，能夠指引他們平安出行的導(dǎo)盲犬就變得異常重要了，導(dǎo)盲犬訓(xùn)練有素，屬于工作犬范疇，導(dǎo)盲犬可以幫助盲人在路上行走，因?yàn)樗麄円呀?jīng)習(xí)慣了脖子上的項(xiàng)圈和導(dǎo)盲器，知道許多口令，能引導(dǎo)盲人平安行走，在有障礙而又需轉(zhuǎn)彎時，能指引主人避免危險(xiǎn)。導(dǎo)盲犬心態(tài)自然平和，能在適當(dāng)?shù)臅r候站起來，拒絕食物，幫盲人坐車，傳東西，不理睬過往行人的打擾，而不襲擊它們，更是異?？少F，但世界上符合條件的導(dǎo)盲犬卻比需求量少得多。而且1只導(dǎo)盲犬訓(xùn)練成本可達(dá)2.5萬元～3萬元，訓(xùn)練周期長達(dá)18個月之久，工作壽命只有8～10歲。而在許多公共場合仍嚴(yán)禁導(dǎo)盲犬出入，給盲人生活造成極大麻煩。站在導(dǎo)盲犬的立場上，它們也是以自己貪玩的本性為代價(jià)，由于要在勞動中抗拒外來干擾與引誘。目前的盲人導(dǎo)盲器，包括最基礎(chǔ)的盲杖，以及多種電子輔助技術(shù)，但還不能提供全方位的、人性化的導(dǎo)航和位置信息。隨著社會的發(fā)展，越來越多的人開始注意到了這一特殊人群，不少科技人員都在努力研發(fā)盲儀，利用這種儀器，盲人可以實(shí)現(xiàn)安全的出行。電子導(dǎo)盲犬系統(tǒng)是為了盲人在道路交通中安全出行而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)通過嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用嵌入式處理器：STM32F103R8T6、STM32F407ZG處理通信的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、通信鏈接、故障檢測等功能。接入各種外設(shè)，無需各種人工干涉即可實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲。為了解決盲人的出行問題，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一款基于智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的機(jī)器人，該機(jī)器人可以引導(dǎo)盲人做出不同的動作，可以有效的規(guī)避前方的障礙，并能識別斑馬線和紅綠燈，從而彌補(bǔ)了盲人的視力不足，增加了盲人的安全。本文所采用的MCU是以Cortex‐M3為核心的ARM公司開發(fā)的STM32單片機(jī)。該系統(tǒng)與其他同類系統(tǒng)比較，具有耗費(fèi)低、性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。ARM是一家以IP為核心設(shè)計(jì)的專業(yè)公司，它并不是做芯片的生產(chǎn)和銷售，它會將IP核心的版權(quán)賣給其他的商業(yè)伙伴，讓他們可以按照自己的能力來設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品。Cortex系列產(chǎn)品包括三大類，一類是Cortex-A系列，用于處理和計(jì)算的高端產(chǎn)品，其性能和PC處理器非常相似，主要用于手機(jī)和平板；Cortex-R是一款面向?qū)崟r操作系統(tǒng)的產(chǎn)品，適用于對實(shí)時性要求高的行業(yè)，例如高級汽車，機(jī)器手，大型發(fā)電機(jī)組；Cortex-M是一種面向低功耗、低成本的嵌入式系統(tǒng)，屬于一種可取代傳統(tǒng)單片機(jī)的微處理器，其應(yīng)用范圍非常廣泛。影像辨識：指對影像進(jìn)行各種處理、分析，最終確定要研究的對象。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀按照美國機(jī)器人協(xié)會（AASA）的規(guī)定，被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可，其定義為：“可編程、多功能運(yùn)行計(jì)算機(jī)；又或者，有一個特殊的系統(tǒng)，可以讓電腦完成各種工作。”以此為依據(jù)，引導(dǎo)和幫助盲人的一種可編程的操作裝置或特殊的裝置，被稱作“導(dǎo)盲機(jī)器人”；而用編程控制器來指引和輔助盲人行走，又稱導(dǎo)盲機(jī)器人。1.2.1國外進(jìn)展由密歇根大學(xué)BorensteinJ和他的研究小組研制的一款導(dǎo)航皮帶裝備有兩個16個超聲波感應(yīng)器，用于檢測前方120°的道路，并能利用左、右耳間的相位差異，從而達(dá)到方向。從而達(dá)到聲像和語音導(dǎo)航的效果。在語音成像時，將周圍的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為虛擬的聲像，使使用者能夠從左右“聽到”周圍的環(huán)境，并根據(jù)聲音的方向和尺寸，在腦中構(gòu)建出一個虛擬的場景圖。在語音導(dǎo)航方式中，利用立體聲來指引盲人，依據(jù)GPS和障礙信息，選擇正確的導(dǎo)航路徑：在推薦方向與步行方向偏差小于5度時，選擇250赫茲低音；在失明或接近障礙時，音響的振幅和振幅都會增大。在由德國HubA等人所提的內(nèi)部定位系統(tǒng)中，所述便攜裝置采用相機(jī)對所述前方目標(biāo)進(jìn)行拍照，采用WiFi方向來測定所述裝置的位置，超聲波測距裝置用于測量距地面高度，數(shù)碼羅盤和3D傾斜感測器用于規(guī)定相機(jī)的方向，并且根據(jù)上述信息，確定虛擬攝像機(jī)的位置、高度和方向，并將真圖像與虛擬圖像進(jìn)行對比，從而進(jìn)行圖像的識別。2014年，由以色列MaidenbaumS等開發(fā)的手盲指導(dǎo)儀EyeCane利用多個窄波束紅外傳感器精確地測量前后及斜下的距離，并由盲人的腕部和大拇指的震動來顯示。隨著距離的縮短，震動變得更加強(qiáng)烈。美國大學(xué)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種腰式的運(yùn)動輔助設(shè)備，它可以幫助盲人在實(shí)際操作中躲避障礙，而盲人則可以充當(dāng)半被動的運(yùn)動工具，以躲避障礙。或者利用超聲來描繪盲人所處的地形，并利用語音等方法，使其對周圍的情況有一定的認(rèn)識和判斷。盡管可穿戴式的導(dǎo)盲器具有較大的靈活性和使用方便，但由于其重量較大、造價(jià)較高，無法給失明人員帶來心理上的安全感和依賴。LaceyG等人在愛爾蘭開發(fā)了一種巨大的移動輔助裝置，它利用了一個電動電梯來調(diào)節(jié)高度，幫助盲人進(jìn)行簡易的行走。Morih等人在日本引進(jìn)了一種可移動的盲人引導(dǎo)器，它能讓盲人在室外行走，識別交通標(biāo)志、斑馬線、紅燈，并通過左右扶手的震動來指引盲人。1.2.2國內(nèi)進(jìn)展馬宏平在同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的紅外探測盲人導(dǎo)盲棒，使用雙音MP3模組警報(bào)系統(tǒng)及蜂鳴器，幫助盲人快速、安全的行走。張克華等開發(fā)了一種基于Kinect傳感器的盲導(dǎo)系統(tǒng)，它通過對障礙物的深度反演和障礙物的識別，能夠同時探測到地面上的障礙物、井、高1米、寬3米的障礙物，并按照不同障礙物的種類和間距，在3米以內(nèi)確定最優(yōu)的障礙物保護(hù)路徑。韋中超等人將超聲波傳感器裝在了使用者的頭上，并將紅外傳感器放在了兩邊。當(dāng)盲人的頭轉(zhuǎn)動時，探測方向會發(fā)生變化。胡浩明等采用谷歌“探戈”項(xiàng)目中的深度感知技術(shù)，把“深度感知”和“云”作為“從移動設(shè)備”的“觸點(diǎn)”。中國臺灣創(chuàng)科在2018年研制出了一種能同時向左30°、30°、30°方向的追蹤機(jī)器人，能夠辨認(rèn)出美國波士頓地區(qū)的黃色、藍(lán)色條紋以及“自由車道”。該系統(tǒng)對深度CNN模型的訓(xùn)練主要有兩種，即“行為反射”算法將輸入的圖像映射成“左轉(zhuǎn)”、“直行”、“右轉(zhuǎn)”三個動作指令；采用“直接感知”技術(shù)，利用改進(jìn)的濾波算法對運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤。建立模擬實(shí)驗(yàn)平臺，以確保導(dǎo)盲機(jī)器人不會對地鐵站內(nèi)的行人通道造成干擾。2本文工作的主要內(nèi)容本文主要研究的內(nèi)容是基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)，主要通過嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓盲人安全出行的電子導(dǎo)盲犬。本次設(shè)計(jì)通過各種傳感器和模塊電路來采集盲道信息、斑馬線和紅綠燈的相關(guān)情況，經(jīng)過CPU中央處理器的信息和數(shù)據(jù)的處理，然后發(fā)送指令到驅(qū)動電路，讓驅(qū)動電路引領(lǐng)盲人安全前行，在遇到障礙物時，可以引領(lǐng)盲人停止行走，避開障礙物。本設(shè)計(jì)的核心控制器是STM32F103R8T6和STM32F407ZG，圖像采集使用OV7725，再結(jié)合相關(guān)算法來識別圖像特征。對于本系統(tǒng)做出的設(shè)計(jì)有如下內(nèi)容的研究：現(xiàn)有的電子導(dǎo)盲犬系統(tǒng)采用微控制器來控制各模塊電路的工作，實(shí)現(xiàn)了很好的實(shí)時處理。外接電機(jī)驅(qū)動，盲道循跡，超聲波避障，實(shí)現(xiàn)基本的盲道行走。接入濕度傳感器，檢測路面積水。對圖像識別的特征有很適合的算法，可以提高了識別效率，3.電子導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)的主要技術(shù)3.1嵌入式系統(tǒng)技術(shù)3.1.1嵌入式系統(tǒng)的簡介嵌入式系統(tǒng)是指一種專門的系統(tǒng)，它充分地嵌入到被控制的裝置中，以滿足具體的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)一般是按照特定的需求執(zhí)行預(yù)定的工作，由于嵌入式系統(tǒng)僅適合于特殊的工作環(huán)境，所以需要對其進(jìn)行優(yōu)化、縮小和降低成本。嵌入式系統(tǒng)一般都是批量制造，所以當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量增加時，個體節(jié)約的費(fèi)用可能會成百上千。嵌入系統(tǒng)是一種對大型機(jī)器、設(shè)備、工廠和其它設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。在中國，人們普遍認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的應(yīng)用，能對軟件、硬件進(jìn)行切割，從而達(dá)到對功耗、功能、費(fèi)用、體積和可靠性的高要求。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核是一種或多種用于完成特殊任務(wù)的微處理器或單片機(jī)。像一般的電腦，它能執(zhí)行使用者所選的軟件，而在嵌入式系統(tǒng)中，軟件一般是臨時固定的，因此，它被稱為“固件”。內(nèi)嵌式系統(tǒng)是指“設(shè)備、機(jī)器或工廠進(jìn)行控制、監(jiān)控或協(xié)助的設(shè)備”。正如您所見，嵌入式系統(tǒng)既是軟件又是硬件，它可以同時包含機(jī)器或者其他輔助設(shè)備。中國通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，定制硬件、軟件、可靠性、功能、功耗、成本和體積的專用計(jì)算機(jī)。3.1.2嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嵌入式系統(tǒng)采用了軟硬件相結(jié)合的方式，能夠獨(dú)立工作。這個軟件僅包含了它的操作環(huán)境和它的操作系統(tǒng)。這些設(shè)備包括：信號處理機(jī)、通信模塊、內(nèi)存等。嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為核心、以現(xiàn)代電腦技術(shù)為基礎(chǔ)的專業(yè)電腦系統(tǒng)，可以靈活地裁減軟件、硬件（需求有功能、穩(wěn)定性、成本、尺寸、功耗、環(huán)境等）。專業(yè)化：目前嵌入式系統(tǒng)中的大部分應(yīng)用程序都具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)時性，這就決定了為特殊應(yīng)用提供服務(wù)的專用系統(tǒng)是目前嵌入式系統(tǒng)的主要支柱，沒有對其進(jìn)行通用和可擴(kuò)展性的規(guī)定。由于它能更有效地改善整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低成本和改善使用者的使用體驗(yàn)，因此，嵌入式系統(tǒng)最終會成為一個軟件與硬件的高度整合。嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)主要包括：集成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、檢測和檢測、嵌入、實(shí)時、高可靠性開發(fā)、正式的系統(tǒng)規(guī)范和驗(yàn)證技術(shù)、通信技術(shù)、低耗能、特殊使用領(lǐng)域的分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制技術(shù)。定制軟體與硬體：因內(nèi)嵌系統(tǒng)具有各種不同的應(yīng)用環(huán)境（功能性能、可靠性、成本和能量消耗），所以在實(shí)際應(yīng)用中，很難找到一套適合實(shí)際應(yīng)用的解決方案。所以，對軟件和硬件進(jìn)行靈活的裁剪，以適應(yīng)不同的需要，最終達(dá)到要求，是一條不可避免的技術(shù)路線。微型化：內(nèi)嵌系統(tǒng)把卡片所完成的多種工作整合到一般的晶片上，便于微型化，并容易在目標(biāo)系統(tǒng)中嵌入系統(tǒng)。3.1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用情況基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)智能設(shè)備將會得到極大的發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多嵌入式8bit、16bit、32bi、32bit的MCU。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工勞動強(qiáng)度，是一種行之有效的手段。例如工業(yè)控制，機(jī)床數(shù)字，電力系統(tǒng)，電網(wǎng)安全，電網(wǎng)監(jiān)控，石化系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般采用8比特的單片機(jī)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，32位、64位處理器正逐步成為工業(yè)控制系統(tǒng)的核心，并將在未來的幾年中到會極大的發(fā)展。GPS模塊與GSM模塊的移動定位終端在交通監(jiān)控、汽車運(yùn)輸、導(dǎo)航車輛、交通控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在全球定位系統(tǒng)從最前沿的產(chǎn)品走進(jìn)普通家庭，只需數(shù)千元，隨處可尋。（3）水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程智能抄表、安全防火、防盜系統(tǒng)，內(nèi)置的特殊控制芯片將取代傳統(tǒng)的手工檢測，達(dá)到更好、更規(guī)范、更可靠的性能。在當(dāng)前的服務(wù)領(lǐng)域，諸如遠(yuǎn)程點(diǎn)餐機(jī)等都顯示出了其優(yōu)越性。3.2.1關(guān)于STM32芯片的介紹核心配置32位的Cortex-M3arm處理器，使用72mhz的頻率，thumb2的指令集合。只有32位的乘法運(yùn)算和硬件的除法運(yùn)算。64KB的閃存容量。SRAM有20000個。提供2.0-3.6V的時鐘，復(fù)位和供電管理。內(nèi)置電源升降恢復(fù)，可編程電壓探測（PVD).6-16毫赫茲可外接的晶體。設(shè)備內(nèi)裝有8兆赫的RC振蕩器。內(nèi)置40KHz的RC手表參考信號?？膳c32K的RTC基準(zhǔn)相結(jié)合。低功耗包括睡眠，停止和待機(jī)運(yùn)行。提供RTC和登陸的保護(hù).2個12位D/A、12路DMA控制器，具有定時器、ADC、DAC、SPI、i2c、USART等多種功能。調(diào)試方式：JTAG與Cortex-M3的后續(xù)調(diào)試，采用2條串行的方式進(jìn)行調(diào)試。最多80個高速的輸入/輸出接口。不同的型號有26/37/51/80I/O。所有的輸入和輸出都可以與16個外部中斷向量相匹配。所有的輸入/輸出都是5V。最多7定時器，有3個16位定時器，均具有4路輸入、輸出比較、PWM或脈沖計(jì)數(shù)，2個看門狗、1個窗口，24bit系統(tǒng)定時器、最多9個通信接口、SMBus、pmbus、3個USART、Lin、IrDA、SPI(18mbit/s）、Can2.0B（激活）、USB20（設(shè)備）。性能介紹Stm32f407zg：該核心使用了32比特的Cortex-m4arm處理器，具有時鐘頻率：168mhz，有輕微的超頻。支持FPU和DSP指令，IO端口有144個，大多數(shù)都能承受5V（除模擬通道外）的電壓。支持調(diào)試：SWD和JTAG，SWD僅需2條數(shù)據(jù)線路。具有1024K的閃存、192K的SRAM、8-3.6V的供電及IO電壓、過電復(fù)位、復(fù)位關(guān)斷及可編程電壓監(jiān)測。功能強(qiáng)大的表系統(tǒng)包括4-26兆的高速外接晶體振蕩器、16兆赫的高速RC振蕩器、內(nèi)置鎖相環(huán)（PLL，頻率復(fù)制）。通常，系統(tǒng)時鐘是通過PLL頻率拷貝的外部或內(nèi)部的高速時鐘以及32.768k的外低速晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)的，它的主要功能是RTC時鐘信號源；低功率消耗包括三種低功率模式：休息，停止，等待。RTC和后備記錄可用電池。支援FIFO、突發(fā)、定時器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C、USART；計(jì)時器最多17個，普通計(jì)時器10個，基本計(jì)時器2個，先進(jìn)計(jì)時器2個，系統(tǒng)計(jì)時器1個，看門狗計(jì)時器2個，通訊接口17個，I2C接口3個，串口6個，SPI3個，can20有2個，USBOTG2個，SDIO1個。3.2.2STM32的技術(shù)突出優(yōu)勢ARM擁有1.25DMIPS/MHZ的高性能核心“Cortex-M3”，ARM7TDMI僅為0.95DMIPS/MHZ；一流的外觀，12位ADC,4MB/秒的UART，I/O轉(zhuǎn)速18MHz；在72MHz時，低功率消耗是36毫安（全部外部裝置都在運(yùn)行）,2微安待機(jī)，最大的集成是復(fù)位電路，低壓檢測，穩(wěn)壓器，精密RC發(fā)生器等。3.2.3STM32的應(yīng)用STM32系列互連產(chǎn)品提高了音頻的性能，并利用了先進(jìn)的鎖相回路技術(shù)，使I2S語音通訊成為可能。STM32與USB主機(jī)或從站的功能相結(jié)合，能夠從USB快閃或MP3播放器中讀取、解碼并發(fā)出聲音信號。設(shè)計(jì)者也可以在新的單片機(jī)系列中，開發(fā)出諸如回放、停鍵、顯示接口等人機(jī)接口。這個特性使其能夠被應(yīng)用到多種家用音響裝置中，例如聲學(xué)系統(tǒng)，鬧鐘，或者是音樂播放機(jī)，以及家庭影院。新型STM32聯(lián)結(jié)系列微控制器加入了一個高速USB（OTG）接口，使其可以用作USB主機(jī)和從站；在此基礎(chǔ)上，該協(xié)議采用硬件實(shí)現(xiàn)，減少了CPU資源，提高了程序與系統(tǒng)的通信響應(yīng)。新的產(chǎn)品系列整合了先進(jìn)的互連外圍設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)的STM32外圍設(shè)備（含PWM計(jì)時器），和32位Cortex-M3arm的高性能CPU，使開發(fā)者能夠整合多種功能到電機(jī)控制，用戶界面控制，設(shè)備互聯(lián)等設(shè)備。還有一些其它的目標(biāo)應(yīng)用程序需要網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)據(jù)記錄或者USB外接裝置，比如患者監(jiān)測、銷售終端、販賣機(jī)和保安系統(tǒng)。3.3圖像識別圖像識別技術(shù)是對圖像進(jìn)行處理、分析、解釋和識別多種模式下的集合，當(dāng)前的圖像識別技術(shù)有兩大類：一種是面部識別，另一種是商品。面部識別技術(shù)用于安全檢查、身份驗(yàn)證和手機(jī)付款；在無人貨架和智能零售貨架等方面，探討了貨物的鑒別問題。圖3-1圖像識別的過程（1）獲取信息就是通過傳感器把諸如光線或者聲音之類的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電位信息。就是獲得被識對象的基本資料，并用一定的方法把它轉(zhuǎn)換成機(jī)器能夠了解的內(nèi)容。（2）預(yù)處理尤其指消除噪聲，平滑，變換等。（3）特征抽取與選取是對所需要的特征進(jìn)行抽取與篩選。我們要用不同的方法把這些圖片區(qū)分開來，就需要根據(jù)這些圖像本身的特點(diǎn)進(jìn)行鑒別。從特征選擇中得到的功能也許不一定適合于這個過程，這時就需要抽取一些有用的內(nèi)容了。在圖像識別中，特征的提取與選取是關(guān)鍵技術(shù)，因此，正確地把握這一環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。（4）分類器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過訓(xùn)練得到一條能夠?qū)Σ煌奶卣鬟M(jìn)行分類，從而達(dá)到較高的判別效果。（5）分類判定就是將特定對象在自己的空間中進(jìn)行歸類，從而更好地判斷對象的歸屬。3.4基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的硬件設(shè)計(jì)圖3-2電子導(dǎo)盲犬系統(tǒng)原理框圖STM32微控制器此系統(tǒng)的主要功能是接收外部設(shè)備的反饋，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著把指令發(fā)送到驅(qū)動器的電路中，這個設(shè)計(jì)要求預(yù)留通信接口、時鐘同步接口、圖像傳輸接口等。主控芯片采用STM32F103R8T6,3個USART插孔，80個輸入/輸出接口，頻率為72MHZ；另外一款主控制器是STM32F407ZG，具有FIFO和突發(fā)功能，并具有IIC,SPI,USART等外部設(shè)備，GPIO端口144個，具有視覺傳感器的功能。選擇這兩種芯片就能達(dá)到本設(shè)計(jì)的需要。外圍設(shè)備該系統(tǒng)采用四輪小車作為支撐，一切功能都是在小車內(nèi)完成，在車的外側(cè)安裝一臺機(jī)械外殼，在后部拖動一條機(jī)械桿。外部包括紅外線、超聲波、濕度、視覺等，這些傳感器能夠發(fā)出紅外線，并能根據(jù)紅外線的特點(diǎn)，進(jìn)行跟蹤；超聲波傳感器能在碰到障礙時，發(fā)出超聲波，并能根據(jù)其反應(yīng)的時間和情況，自動地進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到避障的作用；濕度傳感器是通過其自身的元件特征來識別道路上的積水；視覺傳感器是利用相機(jī)對圖像進(jìn)行采集，根據(jù)圖像的特性和色素，對彩色區(qū)域進(jìn)行分割，并利用該方法對斑馬線和交通信號燈進(jìn)行識別。針對各個外設(shè)，可以使用預(yù)先的驅(qū)動程序，并依據(jù)所探測到的道路狀況，通過反饋的信息進(jìn)行處理，做出相應(yīng)的修正。驅(qū)動電路、電源電路驅(qū)動電路是前進(jìn)的關(guān)鍵部分，它的作用是從主控芯片發(fā)出的指令中，生成PWM信號，對電機(jī)的PWM進(jìn)行控制；該電源電路用于芯片及模塊化電路。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。本系統(tǒng)的配置由以上部分組成，可根據(jù)實(shí)際需要增加各種外設(shè)，兼容多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸入信號，根據(jù)路面的情況，在系統(tǒng)內(nèi)部的信息處理，可以作出引領(lǐng)盲人安全出行的指令。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬主要由CPU微控制器：接收外設(shè)的信號；外圍設(shè)備：通過各種器件和模塊電路，及時將路面信息反饋；電源及驅(qū)動：由芯片處理信息后，作出相應(yīng)指令，控制前進(jìn)方向。圖4-1硬件總體連接圖4.2單片機(jī)最小系統(tǒng)組成圖4-2單片機(jī)最小系統(tǒng)晶片濾波電容器：在整流輸出電壓時，一般采用濾波器電路進(jìn)行紋理濾波，使脈沖恒定電壓的變化成分最小化，同時維持其恒定元件，減小輸出電壓因子，使其外形更平滑。在STM32F10RX芯片的VDD端子附近，必須有0.1UF電容，使其具有去耦合作用。RTC時鐘電路：主要應(yīng)用于RTC時鐘的外圍低速振蕩電路STM32，當(dāng)STM32關(guān)機(jī)后，RTC仍能正常工作，將帶有關(guān)斷的電池插到VBAT的腿上，或當(dāng)連接3.3伏時，即使主芯片被切斷，也能正常工作。只要VBAT或者主電源是有電的，RTC數(shù)據(jù)都會儲存在RTC的備用檔案中，若主電源與VBAT的連接被切斷，儲存在備份區(qū)內(nèi)的全部資料就會遺失（除RTC模組寄存器外，還有42個16位資料庫，當(dāng)VDD被關(guān)機(jī)、系統(tǒng)重新啟動或無法恢復(fù)時，可以儲存多個使用者程序）。BOOOT：開啟STM32電路的BOOT，這個STM32的信號一般是在我們啟動了一個程序并且重啟了晶片之后，SYSCLK的第4個起落就會被鎖住。使用者可以設(shè)定（BOOOT1）和（BOOOT0）的狀態(tài)，在設(shè)定（重啟）模式時，設(shè)定（BOOT1)的腳為(PB2)（預(yù)設(shè)BOOT0-GND)。表1STM32的啟動模式啟動模式選擇引腳啟動模式說明BOOT1BOOT0X0主閃存存儲器主閃存存儲器被選為啟動區(qū)域01系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)存儲器被選為啟動區(qū)域11內(nèi)置SRAM內(nèi)置SRAM被選為啟動區(qū)域晶體振蕩器：它是一種能夠?qū)㈦娔芘c機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的晶體，它工作于共振狀態(tài)，能夠提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的單一頻率振動。晶體振蕩器為整個系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。復(fù)位電路：首先，在打開線路后，馬上重新設(shè)置；其次，可以在需要的時候手工完成；第三，可以按照程序或者線路的要求來實(shí)現(xiàn)，STM32F103是一個具有充放電功能的電容器的低電平復(fù)原。圖4-3穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓組件：直流電壓經(jīng)LM7805后，由ASM1117調(diào)至3.3V，再由LM7805調(diào)至5V。LM7805的前端與二極管相連，防止了線路的斷開。ASM1117特點(diǎn)：本產(chǎn)品具有很小的漏電和失壓。它的穩(wěn)壓器是用PNP型NPN管來實(shí)現(xiàn)的。該漏電壓的定義是：Vdrop=VBE+VSAT，通常，當(dāng)輸出電流增大時，線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性會下降?？商峁┮环N可調(diào)節(jié)的電壓輸出方式（包括1.8V、3.3V、5V）和三個可調(diào)節(jié)的輸出方式，其最大輸出電流為1A，輸出電壓精度達(dá)2%，穩(wěn)壓到12V，有限流，過熱斷電路功能。組件下載：JTAG的下載線路.STM32的JTAG界面包含SWD接口：圖4-4下載電路4.3盲道循跡電路的設(shè)計(jì)盲道是為幫助盲人步行而設(shè)計(jì)的一種公路設(shè)施。在設(shè)計(jì)盲道時，有一些規(guī)定。盲道一般為條狀，每個寬度大于5毫米。他們一般都是用兩種磚塊鋪砌而成。一種是條形的導(dǎo)板，可以讓視力缺陷的人在前面安全地行走，這就是所謂的走盲路；一種是一塊提示板，上面有一個小圓圈，說明前面有一個障礙，需要轉(zhuǎn)彎。叫一個盲人提示。盲道上有明顯的條形，就跟盲者的眼睛一樣。它是在人行道上鋪設(shè)的，為了方便盲人的交通。這些磚的形狀和色彩都很特別，是根據(jù)視覺缺陷者的腳和盲道里的磚的觸覺來完成的。圖4-5紅外循跡電路設(shè)計(jì)循跡電路采用了ST188（光傳感器）的紅外線對管。如果被探測到的對象是黑色，那么U8紅外線二極管所發(fā)射的光線就會被探測到的暗體所吸收。反光非常微弱，感光三極管不能開啟。這樣，7端是高電平，向LM339比較器發(fā)送6端的輸出電壓以進(jìn)行比較。LM339的1針級輸出是按照U7>U6,LED不發(fā)光。如果被探測到的對象是一個顏色較淺的對象，那么它的光就會被反射回去，這時，在紅外線感應(yīng)器的接收端會有一道強(qiáng)烈的光，這就是光敏三極管將會開啟。LM339的6端將會在一個較低的水平上接地。在與7端的電壓對比之后，1端的輸出會出現(xiàn)一個低的水平。在這種情況下，發(fā)光二極管將構(gòu)成回路，并發(fā)射紅色的光，而輸出端1為低。將不同的電信號從比較器的輸出端1傳送到微控制器以用于判定。該系統(tǒng)能判定探測到的軌道是否為盲區(qū)，并提供相應(yīng)的指令。4.4避障電路設(shè)計(jì)在電子導(dǎo)盲系統(tǒng)中，障礙物回避是一個非常關(guān)鍵的問題，它的可靠性對導(dǎo)盲器的安全性有很大的影響。本系統(tǒng)利用多個傳感器融合技術(shù)，利用紅外和超聲波等方法，將收集到的區(qū)域環(huán)境信息進(jìn)行綜合處理，從而達(dá)到快速、準(zhǔn)確的防障礙決策、規(guī)劃和響應(yīng)。4.4.1紅外線避障電路設(shè)計(jì)圖4-6紅外線避障電路的設(shè)計(jì)紅外線檢測器的避障原理：由檢測器上的發(fā)光管發(fā)射紅外線。當(dāng)前面有障礙時，紅外線會被反射，而光的反射強(qiáng)度與障礙物的距離密切相關(guān)。隨著距離的增加，反射的光線會逐漸減弱，而隨著距離的增加，反射的光線也會越來越強(qiáng)烈。當(dāng)感應(yīng)器接收到光線時，會發(fā)出相應(yīng)光強(qiáng)的電流，把物體的物理距離信息轉(zhuǎn)換為電子信號，經(jīng)過處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)盲犬運(yùn)動的控制。在圖中，J1是隔離板的供電及接地柵，J2是信號輸出端，信號指示標(biāo)志OL代表左邊的輸出信號，OM代表中間信號輸出，OR代表右邊的信號輸出。在避障板的左邊，第一套對紅外線管的輸出端oL與Pb13管腳相連，OM與pb14管腳相連，oR與pb15管腳相連。管腳越低，代表對應(yīng)的傳感器在對應(yīng)的方向上碰到了障礙。程序利用比較儀對紅外線管的輸出進(jìn)行測量，并據(jù)此判斷車的運(yùn)行狀況。4.4.2超聲波避障電路設(shè)計(jì)超聲波傳感器就是對目標(biāo)的距離進(jìn)行測量。其工作原理為：將超聲波注入傳感媒介，聲波抵達(dá)物體后，反射回波就會對接收傳感器產(chǎn)生影響。若知道中間的速度是C，而回波抵達(dá)時間和發(fā)射時間之間的時間差為t，然后可以求出起點(diǎn)到反射點(diǎn)的距離s：S=在方程式中，C是超聲波的傳播速度（m/s)，并且可以用以下公式來表達(dá)：C=在方程式中t表示周圍的溫度。超聲波在常溫下的速度是每秒340m。測量的距離不會很遠(yuǎn)，也不會很高，只要將公式（2-1）中的340米/秒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行替換就可以了。由于它與周圍平坦的地磚不同，盲道磚表面有5毫米高的條形。因此，在機(jī)器人在正常和非盲道兩種情況下，超聲波感應(yīng)器會根據(jù)不同的條件，把它送到地面，然后再把它反射回去。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)定時間比較的方法，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)際時值與對比值的差值的自動調(diào)節(jié)。圖4-7超聲波避障電路設(shè)計(jì)工作原理：采用LM555時基回路及周邊器件構(gòu)成超聲傳輸線路。T40-16既是一個反饋耦合器件，又是一個輸出傳感器。振動頻率可以通過調(diào)節(jié)滑塊變阻器rW4的電阻值而變化。LM555的第3管腳輸出端輸出40KHz的頻率。Cd4011是用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和駕駛的。該裝置能夠使t40-16超聲波傳感器發(fā)射40千赫茲的超聲波，并把它傳送給超聲波接收機(jī)。本電路具有高功率（15mA或更多）的輸出驅(qū)動電流，具有較高的工作效率。工作電壓為9V，工作電流超過35毫安，發(fā)出超過10米的超聲波訊號。該超聲波傳感器的接收區(qū)可以作為一種超聲探測線路。具有較高的靈敏度和較好的抗干擾性。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整C7的尺寸，可以使接收電路的靈敏度和抗干擾性得到改善。R6、CE2分別對cx20106a進(jìn)行內(nèi)部放大器增益和R5進(jìn)行控制。一般而言，R6=4.7?，CE2=1uf。基于圖表對其它部件進(jìn)行評價(jià)。R40-16是一個超聲波接收頭。一旦收到超聲波，就會形成一塊降壓板，并與微處理器的INT0外部斷路器相連。當(dāng)接收到40KHz的方波信號時，超聲波接收器用cx20106a進(jìn)行引導(dǎo)、放大，再把它送到一個0端口上，再用單片機(jī)來切斷。在電子導(dǎo)盲犬的防障礙性工作中，當(dāng)單片機(jī)接收到外部中斷中斷0的請求時，向外中斷服務(wù)程序0發(fā)送處理，在中斷服務(wù)程序中，例如0.5m，可以設(shè)定所需的最小距離。當(dāng)障礙超過0.5米時，你可以不做任何處理而忽略中斷服務(wù)；當(dāng)距離小于或等于0.5米時，必須下達(dá)躲避障礙的指令。LM555管腳的特點(diǎn)：輸出驅(qū)動功能，包括COMS的逆變器，它可以驅(qū)動大部分的邏輯水平，包括COSM和TTL。因此，若COMS被驅(qū)動，則在全部供電電壓下的輸出振蕩就是供電電壓；DISCHARGE：釋放開關(guān)；THRESHOLD：門限輸入電壓：一種用于不穩(wěn)定調(diào)頻的控制電壓，一個控制電壓調(diào)整門限，并能在單穩(wěn)態(tài)下改變一個延遲時間；TRICGER：低電平啟動的輸入電壓；RESET：重置輸入電壓，重置，低效率.僅對內(nèi)部的觸發(fā)進(jìn)行控制，而觸發(fā)觸發(fā)則同時對輸出和放電的狀態(tài)進(jìn)行控制。 4.5電機(jī)模塊圖4-8電機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)L298N是ST公司開發(fā)的高壓及大電流驅(qū)動電機(jī)芯片。本系統(tǒng)采用兩臺起動控制驅(qū)動器，兩個使能端，可使設(shè)備無輸入信號而不能工作。邏輯電源輸入，其在低壓下操作內(nèi)部邏輯；可與電阻器相連，可提供不同的控制線路。L298N用于驅(qū)動發(fā)動機(jī)。該芯片可以對雙相步進(jìn)電機(jī)、四相步進(jìn)電機(jī)以及兩臺直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。為了實(shí)現(xiàn)對小車馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，必須采用PWM來調(diào)整其轉(zhuǎn)速。在該程序中，采用PWM的計(jì)時器4。該系統(tǒng)的時鐘是72兆赫茲。如果用定時器（8+1）除以該頻率，則時鐘基準(zhǔn)是8MHz，定時器計(jì)數(shù)時段是（799+1)，也就是產(chǎn)生PWM的頻率是10千赫茲（也就是（72000000/9)/800）。通過設(shè)置PWM的工作循環(huán)和工作狀況，使小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的工作目標(biāo)。通過對PWM工作周期的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。L298特點(diǎn)：高電壓，可達(dá)到46伏；高輸出電流，3a瞬時峰值電流，2a工作電流，有信號顯示，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，抗干擾性好，過壓和過流保護(hù)；雙直流電機(jī)單獨(dú)工作，步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)工作；PWM脈寬的定時調(diào)節(jié)，可以進(jìn)行正反兩方面的調(diào)節(jié)；采用了光電隔離技術(shù)。

4.6濕度傳感器電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用無線溫度、濕度，無需布電線，節(jié)省時間、成本。用stm32f103R8t6作為主控，DHT11濕度傳感器采集濕度，采集到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)。用nRF24L01的無線傳輸模塊，通過SPI技術(shù)完成MCU與無線模塊之間的通信。主控芯片也是Stm32f103R8t6，與nRF24L01的無線接收器和Nokia5110液晶顯示器相連接；在經(jīng)過一定的無線電通訊距離之后，接收端收到的資料傳送給主控制芯片，由主控制芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由顯示屏進(jìn)行顯示。至此，無線的收發(fā)溫度與濕度數(shù)據(jù)采集工作已全部完成。圖4-9濕度傳感器電路設(shè)計(jì)DHT11是一種溫度、濕度傳感器，它能對數(shù)碼信號進(jìn)行標(biāo)定。該儀器的測量濕度精度在±5%RH，濕度在20%-90%RH。應(yīng)用專用數(shù)碼模組數(shù)據(jù)采集技術(shù)及濕度監(jiān)測技術(shù)，保證高可靠性及穩(wěn)定性。它由電阻型濕度檢測器、NTC檢測器組成，并與8位高性能微處理器相連接。該產(chǎn)品具有較高的抗干擾性、較高的價(jià)格比和較好的品質(zhì)。4.7視覺傳感器電路設(shè)計(jì)視覺傳感器是一種非常普遍的圖像采集與識別，它能從相機(jī)中提取出目標(biāo)圖像，并經(jīng)過處理，從而得到目標(biāo)的特征（面積、長度、位置、色素等），作為整個導(dǎo)盲系統(tǒng)的直接信息來源。目前，許多視覺傳感器如CCD、CMOS已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。兩種影像與數(shù)據(jù)均由光電二極管轉(zhuǎn)換，但兩者的資料傳送方式有所不同。CMOS圖象傳感器通常包括：數(shù)據(jù)總線，行驅(qū)動程序，敏感元件矩陣，控制時序邏輯，合配器，接口。在相同的硅片里?？梢苑譃樽x出、光電轉(zhuǎn)換、重啟和積分三種。本系統(tǒng)采用OV7725型感測器，其速度快，光學(xué)噪聲高，穩(wěn)定，是CMOS數(shù)碼影像感測器。在一個小盒子中，您可以查看VGA攝像機(jī)的全部影像處理能力。OV7725可提供最多300000像素（640*480dpi）的圖像輸出，在60FPSVGA分辨率規(guī)定圖像特征、分辨率及輸出格式。OV7725參數(shù)與特點(diǎn)：反應(yīng)快；可用SCCB正確的組態(tài)接口，可進(jìn)行RGB,RAW，YVA422格式的視頻流；支持QVGA、VGA、40*30至CIF的圖片大?。?52*288)；加有智能調(diào)整；可以根據(jù)配置執(zhí)行幀同步模式；動態(tài)曝光、白平衡、帶通濾波、黑電平校準(zhǔn)；圖像的飽和、伽馬、銳度、噪音控制等.圖4-11OV7725原理框圖工作原理：利用鏡頭獲取的光學(xué)影像，將影像投射至影像感測器的表面，并將其轉(zhuǎn)化為電信訊號，并將其轉(zhuǎn)換為A/D（模數(shù)），再將其轉(zhuǎn)換為數(shù)位影像訊號，傳送至處理器進(jìn)行處理，最后傳送至其它顯示設(shè)備。外部圖像由透鏡敏感矩陣（陣列）所投射，也就是每一個與圖象傳感器的圖像點(diǎn)相對應(yīng)的傳感器陣列，以光二極管為中心，在相片之后，接受與各自光強(qiáng)度相對應(yīng)的光電流（模擬量）。CMOS感應(yīng)器的每一個感光元件與信號放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，使傳感元件的輸出成為直接的數(shù)字信息，接著傳送至DSP芯片處理。影像收集：COMS影像感測器透過感光元件上的濾色片來辨別色彩，而在LCD上則采用濾色器。理論上，我們會在三個感光元件（例如，像點(diǎn)）上使用三個R/G/B濾光器，從三個點(diǎn)中產(chǎn)生一個彩色象素。所以，生成彩色象素的光器件包括三個含有R/G/B的光器件，其中包括R/G/B，用該方法獲取的數(shù)字信號是用該方法獲得的。采集到的信息被發(fā)送到FIFOAL422B:STM32芯片上通過對OV7725寄存器進(jìn)行配置，將對應(yīng)的寄存器移除或置位，以完成配置所規(guī)定的工作。SCCB協(xié)議是STM32對OV7725的控制，SCCB協(xié)議對其寄存器讀寫，配置圖象的傳送，輸出圖像用VGA或QVGA的時間序列，VGA可輸出480*640的圖象。OV7725感應(yīng)器在輸出畫面時，畫面中的資料一般由左至右，由上至下，以像素表示（或由寄存器改變方向）。HREF是高電時，在逐行中連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的像素單元，HREF同步信號在當(dāng)前和下一行中以電平跳躍間隔輸出數(shù)據(jù)；這個構(gòu)架中的影像是N條數(shù)據(jù)，在VSYNC信號通常為較低的情況下，依次在各個像素中傳輸數(shù)據(jù)，每次傳輸時，VSYNC就會發(fā)送一個信號，以改變電平。圖4-12RGB555輸出時序圖圖4-13水平時序圖4-14VGA幀時間圖4-15視覺傳感器電路設(shè)計(jì)OV7725像素PCLK時鐘與AL422讀入時鐘RCK連接，在某特定的操作下，通過AL422端口的讀使能/輸出數(shù)據(jù)使能來傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)端D0-D7會向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)，使單片機(jī)I/O端把控/rrst調(diào)低，這樣就可以重新設(shè)置，讀地址指示器就會回到0。AL422是一塊由AverLogic公司開發(fā)的3MbitDRAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)緩沖，具有393216個字節(jié)×8比特FIFO驅(qū)動。所有的地址、更新等操作，都在AL422B的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖見下圖;圖4-16AL422B內(nèi)部框圖AL422B的主要特征：其內(nèi)存容量為3Mb(39321個字節(jié)×8個比特）；獨(dú)立的讀出/寫入；可存儲一幀圖像，如VGA,CCIR,NTSC,PAL,HDTV等；高速、非同步的連續(xù)存取存取時間是20ns；訪問時間是15納秒；輸出允許；DRAM的內(nèi)部自動更新.圖4-17AL422引腳圖AL422B寫入操作時間圖，WCK是寫入時鐘，一個循環(huán)為1000ns，最短循環(huán)為20ns；當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入的時候，它就會升高，而當(dāng)時鐘被注入到里面的時候，寫指針就會自動的增。AL422B的運(yùn)行符合設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)的I/O把控寫使能，/WE低電平觸發(fā)使能，在DI0-DI7數(shù)據(jù)端會寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)完成后，寫復(fù)位/WRST會被MCU的IO口管理，低電平使能復(fù)位，這樣就可以重新設(shè)置，而寫數(shù)據(jù)時的地址指示器就會回到0。圖4-18AL422寫時序圖AL422B讀操作時間圖，RCK是讀出時鐘，最大持續(xù)1000納秒，最小持續(xù)20納秒，當(dāng)/RE和/OE有用時，上升有效，時鐘輸入讀指針會增加。若基本頻率是25兆赫茲，它就不能為OV7725的系統(tǒng)時鐘提供XCLK時鐘，需要同頻27兆赫茲才可以。 圖4-19AL422讀時序圖4.8斑馬線識別行人過馬路是指在交通信號燈或其它交通標(biāo)志所規(guī)定的路口。這樣可以避免高速行駛中的車撞人，同時也規(guī)定車輛在該路段減速。斑馬線最大的特點(diǎn)就是色彩，而盲人卻無法用視覺來辨別。為了解決這一問題，人們在導(dǎo)盲機(jī)器上設(shè)計(jì)了一套“斑馬線”識別系統(tǒng)。針對斑馬線色彩的特征，圖像分割是當(dāng)前常用的一種識別方法。斑馬的灰度反差很大，并且有很好的規(guī)律性，所以可以用雙極化的圖像系數(shù)進(jìn)行識別。圖4-20斑馬線規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)定義一幅圖像的密度函數(shù)ρ0x，只含黑色和白色，則ρ0x=αρ1x+1?αρ2x1<α<1，其中γ=其中，δ0可知，0<γ<1，且當(dāng)γ=1時，δ1=δ2=0在圖象的灰度直方圖中，可以得到較高、較低的灰階和較高的峰值，并能得到與之相對應(yīng)的灰度等級。則α定義為：α其中，在較低的灰度區(qū)中所對應(yīng)的總像素點(diǎn)是nL，以及在較高的灰度區(qū)中所對應(yīng)的總像素點(diǎn)是n因?yàn)槔硐氲娜诵袡M道具有顯著的雙極性，因此雙極計(jì)算簡單，運(yùn)算速度快，在斑馬線識別中，采用了雙極子系數(shù)法。4.9紅綠燈識別在城市的十字路口，一般都是車流和人流最多的地方，最重要的是交通燈，以保證四個方向的交通秩序，一個是停止，一個是允許通過。由于盲人不能正確地辨認(rèn)出信號燈的色彩，所以將信號燈的識別功能添加到導(dǎo)航系統(tǒng)中，其工作原理與斑馬線識別相似，但為了確保正確地獲取信號燈的全部信息，需要設(shè)置更高的位置。在人行橫道的十字路口，一般都會有一個紅燈和一個綠燈，所以，在確定了信號燈的具體位置之后，接下來要做的就是辨別信號燈的顏色是紅（255、0、0)；綠色（0，255,0）。首先，采用HSV色彩空間中S、V兩種不同顏色的通道，設(shè)定門限以排除S、V分量過大的像素點(diǎn)，以消除晴朗的天空；其次，選取感興趣的ROI區(qū)域，對上半幅圖象進(jìn)行二值化。因?yàn)橄乱徊揭獙Χ祷瘓D像中的白區(qū)域進(jìn)行輪廓提取，而經(jīng)過處理的交通信號燈為黑色，所以需要進(jìn)行二值化反演。把原來設(shè)定在0和255之間的像素點(diǎn)的灰度值互相轉(zhuǎn)換成255和0，從而使對像區(qū)變成白色；然后，確定交通信號燈的外形。在RGB色彩空間中，色彩判定是由各個成分的比例關(guān)系決定的。只要有一定的差距，就可以做出判斷。遍歷交通信號燈處的全部像素點(diǎn)，并將各個像素的數(shù)目進(jìn)行比較R、G和B分量決定了像素的色彩。例如：RGB三通道，當(dāng)R成分均大于B成分和G成分時，則確定為紅色，紅點(diǎn)加1；若G分量都大于R、B分量，則為綠色，則加1綠點(diǎn)。最終以三種顏色的數(shù)目和總的像素比率計(jì)算出，其中所占的百分比最高的就是交通信號燈的實(shí)際色彩。5基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1開發(fā)環(huán)境介紹開發(fā)語言：C語言本項(xiàng)目采用了一種基于ARM核心的嵌入式處理器，它是Keil在ARM核心上開發(fā)的一種嵌入式應(yīng)用。該產(chǎn)品是一款以ARM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。Keil是一款集C編譯器、連結(jié)、存儲器管理，統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境構(gòu)成的強(qiáng)大的仿真調(diào)試工具。Vision類似Eclipse的集成開發(fā)環(huán)境。主要包括工程控制，源碼編輯器，編譯設(shè)置，下載調(diào)試和模擬。提供了一個簡單的工作環(huán)境，而不需要為軟件開發(fā)者增加專門的編譯和下載能力。圖5-1Keil5工程界面在Keil5下載之后，打開Kil5，進(jìn)入板頁，然后創(chuàng)建一個項(xiàng)目，點(diǎn)擊“Project”，選擇“第一個”，建立一個新的項(xiàng)目，然后點(diǎn)擊確定；選取ATMEL芯片，選取不同口，再選取“否”；此時，窗口左側(cè)出現(xiàn)了一塊工程學(xué)面板。若未顯示，點(diǎn)擊“查看”鍵，在工作結(jié)束后點(diǎn)擊“項(xiàng)目窗口”；然后在項(xiàng)目中建立項(xiàng)目，并將項(xiàng)目的名字加入其中。注：若項(xiàng)目為C，在名稱之后加上“.C”，如以C+語言寫成的專案，應(yīng)在名稱之后加上“.CPP”；然后你就可以在視窗里寫程序了，當(dāng)你做完了，點(diǎn)擊“build”，“ebuil”，點(diǎn)擊編輯窗口的左上方，就可以看到“projectoutput”了。仿真和燒程序，需要點(diǎn)擊“目標(biāo)選項(xiàng)”，然后選擇“輸出”，然后選擇“創(chuàng)建16進(jìn)制”。之后，通過模擬器的記錄將其裝入到晶片中，以便通過st-link或j-link來進(jìn)行聯(lián)機(jī)模擬調(diào)試。5.2軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要想讓一只電子導(dǎo)盲犬順利完成它的工作，光靠硬件的設(shè)計(jì)是不夠的，必須有一個軟件系統(tǒng)來支撐。任何一種嵌入式系統(tǒng)，都需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以達(dá)到一個完美的工作體系。由于UCOSIII內(nèi)置的操作系統(tǒng)，它能運(yùn)行在ROM上，可編輯，可捕捉，實(shí)時運(yùn)行，尤其是微處理器和控制器。對導(dǎo)盲系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，包括：超聲波傳感器、紅外傳感器、濕度傳感器、圖像識別等。并與此項(xiàng)目相結(jié)合，使得該系統(tǒng)能夠更好地滿足項(xiàng)目的需求.圖5-2軟件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)程序流：在系統(tǒng)訪問之后，初始化MCU：設(shè)置輸入IO的工作模式，中斷設(shè)置，計(jì)時器工作模式設(shè)置。單機(jī)中斷計(jì)時器，再轉(zhuǎn)到單中斷子程序，對盲道、障礙物進(jìn)行檢測，獲得相應(yīng)的信息。另外，利用視覺傳感器對斑馬線及紅綠燈信號進(jìn)行采集，并將其傳送給處理中的模塊化處理器，再將相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入處理器，再進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。圖5.3主程序流程圖盲道循跡：采用紅外發(fā)射管，通過紅外發(fā)射管，將紅外光輻射到地表，再將其反射到地表，對其進(jìn)行信息處理，從而達(dá)到盲區(qū)跟蹤的目的。圖5-4盲道循跡軟件流程圖（2）避障：利用紅外線的發(fā)射、接收及超聲波的發(fā)射，達(dá)到避障的目的，以增加避障的可靠性。圖5-5避障軟件實(shí)現(xiàn)流程圖（3）積水探測電路：采用濕度感應(yīng)器，通過其本身的作用，實(shí)現(xiàn)對道路積水的探測。圖5-6積水檢測軟件實(shí)現(xiàn)流程圖（4）斑馬線辨識：通過對采集到的圖像進(jìn)行檢測，利用雙極法進(jìn)行閾值的判定，對斑馬線進(jìn)行區(qū)域的選取，重構(gòu)原始二值圖，并最終確定斑馬線的范圍。圖5-7斑馬線識別軟件實(shí)現(xiàn)流程圖（5）交通信號燈識別：交通信號燈的識別分為兩個步驟：第一步是確定完成地點(diǎn)，第二步是判斷信號的色彩。給出了交通信號燈上兩位數(shù)字的圖形，該圖形具有圓形、矩形寬度、固定比例等特征，并將其與普通交通信號燈的實(shí)際位置相結(jié)合；在確定了RGB色彩空間內(nèi)的具體位置之后，將三個信道進(jìn)行分割，將矩陣中的一個信道彼此壓縮，按照區(qū)域內(nèi)的不同色彩進(jìn)行分組，并將它們分為兩個不同的顏色，分別是紅、綠兩種顏色，然后分別選取相應(yīng)的兩種顏色，分別使用白色的光點(diǎn)和信號的顏色，然后將彩色信息顯示在界面上，進(jìn)行識別。圖5-8紅綠燈識別軟件實(shí)現(xiàn)流程圖6結(jié)論本文旨在研究以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電子導(dǎo)盲犬，以滿足現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，為盲人提供更好的安全保障。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)將進(jìn)一步擴(kuò)充設(shè)備，以提升系統(tǒng)效能與品質(zhì)。本文介紹了嵌入式技術(shù)、信息集成技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)等技術(shù)，為導(dǎo)盲機(jī)器人提供了一種基于嵌入式技術(shù)、信息集成技術(shù)、傳感器技術(shù)和圖象處理技術(shù)等技術(shù)。本文主要討論了如下內(nèi)容：（1）本文通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的整理，學(xué)習(xí)和分析了前人工作的成果。（2）本文給出了一種通用的導(dǎo)盲器編程方案，并簡單地介紹了電子導(dǎo)盲犬的軟硬件。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的傳感器及功能模塊，對其進(jìn)行了功能框圖的設(shè)計(jì)。在軟件和硬件方面，給出了導(dǎo)線機(jī)械臂的一般編程方法，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的描述。（3）本文對導(dǎo)盲的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該機(jī)器人的主要硬件系統(tǒng)包括控制、檢測、驅(qū)動等.（4）推廣導(dǎo)盲狗的電子軟件體系.建立了一個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，對各個模塊的功能進(jìn)行了介紹和分析，并對驅(qū)動軟件進(jìn)行了深入的研究，以確保電子狗的正常工作。由于我在圖像識別與算法的理論和實(shí)踐上的局限，還不能對很多相關(guān)的理論進(jìn)行深入的探討，所以，在這一領(lǐng)域中，有很多的理論有待改進(jìn)：（1）由于時間和科研水平的限制，沒有對斑馬識別和其它相關(guān)的圖像和算法進(jìn)行深入的研究，這與實(shí)際應(yīng)用有一定的區(qū)別。（2）由于所使用的元件、模塊化電路的選擇、圖像處理以及算法等都無法與之相比，因此，我們可以選擇更好的方案。

附錄B#濕度檢測#include"bsp_lib.h"intmain(void){UltaStatestate=UltaErr;uint16_tgbDistanceValue=0;u8status_find;u8tick=0;u8trace;u8temperature;u8humidity;Bsp_Init();//版級支持包BSP初始化while(1){status_find=Steering_Find();if(status_find)trace=Get_Tracing();if(tick%10==0){DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity); //讀取溫濕度值LCD_ShowNum(30+40,170,humidity,2,16); //顯示濕度}#盲道循跡if(status_find){if((trace==0x33)||(trace==0x3B)||(trace==0x37)||(trace==0x3f)){//盲道在中間Motor_Action(FORWARD,50);//向前Delay_ms(10);}elseif(trace==0){Motor_Action(STOP,0);Delay_ms(1000);Motor_Action(FORWARD,50);Delay_ms(100);}elseif((trace&0x03)==0x01){//小轉(zhuǎn)//盲道線在左側(cè)，偏離較小Motor_Action(LEFT,50);Delay_ms(5);}elseif((trace&0x01)!=0x01){//大轉(zhuǎn)//盲道線在左側(cè)，偏離較大Motor_Action(LEFT,50);Delay_ms(10);}elseif((trace&0x30)==0x20){//小轉(zhuǎn)//盲道線在右側(cè)，偏離較小Motor_Action(RIGHT,50);Delay_ms(5);}elseif((trace&0x20)!=0x20){//大轉(zhuǎn)//盲道線在右側(cè)，偏離較大Motor_Action(RIGHT,50);Delay_ms(10);}}else{盲道紅外避障if((state==UltasOK)&&(gbDistanceValue>0)){//前方有障礙物if(gbDistanceValue<=50){//小于10cmMotor_Action(STOP,0);BEEP=1;Delay_ms(10);}}elseif(gbDistanceValue>50){Motor_Action(FORWARD,50);//距離大于50cmBEEP=0;Delay_ms(10);}}delay_ms(10);tick++;if(50==tick){tick=0;}}}#include"beep.h"voidBEEP_Init(void){RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB時鐘GPIOB->CRH&=0XFFFFFFF0;GPIOB->CRH|=0X00000003; //PB8推挽輸出BEEP=0; //關(guān)閉蜂鳴器輸出}#圖像識別#include"sys.h"#include"delay.h"#include"usart.h"#include"led.h"#include"lcd.h"#include"ov77725.h"#include"GUI.h"#include"EasyTracered.h"#include"pwm.h"#include"key.h"#include"timer.h"#include"pid.h"externu8ov_sta;staticinti=0;externunsignedshortsram[128*128];TARGET_CONDIConditionred={0,240,0,240,210,240,15,15,128,128}; //白色API參數(shù)hsl的閾值，識別時用的 //TARGET_CONDIConditionred={0,240,0,240,0,10,15,15,128,128}; //黑色API參數(shù)hsl的閾值，識別時用的 RESULTResured;u16x,y;unsignedintLastPwm=1500;u8key,choice,flag;voidOV7725_Window_Set(u16width,u16height,u8mode){u8raw,temp;u16sx,sy;if(mode){sx=(640-width)/2;sy=(480-height)/2;SCCB_WR_Reg(COM7,0x06); //設(shè)置為VGA模式SCCB_WR_Reg(HSTART,0x23); //水平起始位置SCCB_WR_Reg(HSIZE,0xA0); //水平尺寸SCCB_WR_Reg(VSTRT,0x07); //垂直起始位置SCCB_WR_Reg(VSIZE,0xF0); //垂直尺寸SCCB_WR_Reg(HREF,0x00);SCCB_WR_Reg(HOutSize,0xA0);//輸出尺寸SCCB_WR_Reg(VOutSize,0xF0);//輸出尺寸}else{sx=(320-width)/2;sy=(240-height)/2;SCCB_WR_Reg(COM7,0x46); //設(shè)置為QVGA模式SCCB_WR_Reg(HSTART,0x3f); //水平起始位置SCCB_WR_Reg(HSIZE,0x50); //水平尺寸SCCB_WR_Reg(VSTRT,0x03); //垂直起始位置SCCB_WR_Reg(VSIZE,0x78); //垂直尺寸SCCB_WR_Reg(HREF,0x00);SCCB_WR_Reg(HOutSize,0x50); //輸出尺寸SCCB_WR_Reg(VOutSize,0x78);//輸出尺寸}raw=SCCB_RD_Reg(HSTART);temp=raw+(sx>>2);//sx高8位存在HSTART,低2位存在HREF[5:4]SCCB_WR_Reg(HSTART,temp);SCCB_WR_Reg(HSIZE,width>>2);//width高8位存在HSIZE,低2位存在HREF[1:0]raw=SCCB_RD_Reg(VSTRT);temp=raw+(sy>>1);//sy高8位存在VSTRT,低1位存在HREF[6]SCCB_WR_Reg(VSTRT,temp);SCCB_WR_Reg(VSIZE,height>>1);//height高8位存在VSIZE,低1位存在HREF[2]raw=SCCB_RD_Reg(HREF);temp=((sy&0x01)<<6)|((sx&0x03)<<4)|((height&0x01)<<2)|(width&0x03)|raw;SCCB_WR_Reg(HREF,temp);SCCB_WR_Reg(HOutSize,width>>2);SCCB_WR_Reg(VOutSize,height>>1);SCCB_RD_Reg(EXHCH);temp=(raw|(width&0x03)|((height&0x01)<<2));SCCB_WR_Reg(EXHCH,temp);#incl