2021全國大學生電子設計競賽論文（智能送藥小車（F題））

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智能送藥小車（F題）

參賽隊號：XXX
2021年11月7日
<致敬媛哥>

智能送藥小車（F題）

摘 要

本設計以STM32單片機為主控模塊，設計了主要包含k210機器視覺模塊、Openmv機器視覺模塊、藍牙通信模塊、壓力檢測模塊、電機驅動和電源模塊的智能送藥小車控制系統(tǒng)。通過k210機器視覺模塊將采集到的圖片集進行本地訓練，獲得自己的數字檢測模型。檢測模型的精準度會隨著訓練圖片集數目和訓練時間不斷提高。兩輪的小車結構更有利于小車的轉向，減小了小車所占空間。經測試，單個小車可以在20s內運送藥品到指定的近端病房、中部病房、遠端病房并返回到藥房。60s內兩個小車可以協(xié)同運送藥品到同一指定的中部病房，到不同的遠端病房送、取藥品。兩個小車性能分尺可靠，技術指標達到了設計要求。

關鍵詞：STM32單片機；本地訓練；藍牙通訊；串級PID

1引言

該系統(tǒng)為了將200g藥品送到指定病房，在視覺模塊識別到病房號后，小車自動開始運送，根據走廊上的標識信息自動循跡，在到達指定藥房并且卸載藥品之后，小車自動返回。
為實現(xiàn)以上功能，我們將系統(tǒng)分為幾個模塊，分別有巡線模塊，數字檢測模塊，藥品檢測模塊，電機控制模塊，藍牙模塊和供電模塊。其中使用k210進行數字識別，在識別到數字之后，傳輸給STM32來控制電機旋轉，在小車運行時k210持續(xù)檢測，在路口處檢測目標病房的數字，判斷左右轉。在到達目標病房并且已經卸載完藥品之后，依然通過識別數字返回原位。兩個小車之間通過藍牙模塊實現(xiàn)通信。

2系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由循跡模塊、數字識別模塊、藥品檢測模塊、電機控制模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

2.1 循跡模塊的論證與選擇

方案一：使用openmv機器視覺模塊。將攝像頭拍攝到的圖片轉化為灰度圖并劃分為6部分，在不同區(qū)域分別確定色塊位置，根據位置判定十字路口，丁字路口和直線。在直線運動階段，通過直線色塊中心點坐標與圖像中心點坐標之差確定誤差值，傳輸給下位機調節(jié)PID。
方案二：使用紅外傳感器。通過接收器接收紅色電工膠帶發(fā)出的紅外線，根據接收器信號確定小車與路徑相對位置，通過PID調節(jié)位置偏移量。紅外傳感器對于紅色路徑識別度較低，故舍棄改方案。
方案三：使用灰度傳感器。使用高亮LED燈，通過接收管對不同強度反射光的強弱處理對比區(qū)分出路徑，將接收器接收到的信號傳入STM32中，通過PID調節(jié)位置偏移量?；叶葌鞲衅饕皇汁h(huán)境影響，所以舍棄該方案。
為保證識別精度，確保巡線的穩(wěn)定性，所以選擇方案一。

2.2 數字識別模塊的論證與選擇

方案一：使用k210機器視覺模塊。通過配置環(huán)境以及制作數據集進行本地訓練，隨著數據集中數據量的增大，識別精度也隨之升高。且k210環(huán)境配置簡單，訓練方便。
方案二：使用樹莓派模塊。通過配置環(huán)境，編寫樹莓派代碼以及制作數據集進行訓練，相較于k210數字識別，樹莓派環(huán)境配置更繁瑣，且安裝繁瑣。
組內成員系統(tǒng)學習過k210識別，所以選擇方案一。

2.3 藥品檢測模塊的論證與選擇

方案一：使用光電傳感器。通過光電傳感器檢測到藥品已經放置在固定位置，將電平信號傳遞給STM32引腳實現(xiàn)相應動作。光電傳感器僅能識別出是否放置，無法確定藥品重量，精度較低，故舍棄該方案。
方案二：使用壓力傳感器。將藥品放置在電阻式薄膜上，當檢測出有200g物體，將電平信號傳遞給STM32引腳，控制小車的啟動。相較于方案一，該方案識別精度更高。
為保證在準確識別到200g藥品，所以選擇方案二。
2.4 電機控制模塊的論證與選擇
方案一：使用直流電機控制。STM32輸出PWM波，根據占空比控制電機轉速。在調節(jié)角度時需要外接編碼器，硬件連接更加繁瑣。
方案二：使用編碼電機控制。STM32通過L298N控制電機轉動，帶編碼器的電機可以精準控制小車轉動一定角度，相較于直流電機性能更加穩(wěn)定，硬件連接更簡潔，角度控制更精準。
為了讓電機運行更準確，接線更簡單，所以選擇方案二。

3系統(tǒng)結構與電路設計

3.1智能送藥小車結構設計

小車結構圖如圖1所示，小車尺寸為20cm20cm20cm，符合設計要求。小車采用兩輪結構，在旋轉90°時兩輪可以有效降低控制難度，通過給兩輪極性相反的PWM來減小旋轉半徑。

圖1(a) 小車主視圖

圖1(b) 小車俯視圖

3.2電路設計

3.2.1 系統(tǒng)總體框圖與實物圖

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。系統(tǒng)主要由STM32F103單片機、K210視覺識別、灰度傳感器、藍牙模塊、壓力傳感器、電機驅動等組成。

圖2 系統(tǒng)總體框圖


圖3 實物圖

3.2.2 電機控制電路原理圖

電機控制系統(tǒng)電路
如圖4所示，將L298N的輸入引腳IN1,IN2連接單片機，輸出引腳OUT1,OUT2連接電機的端子。通過改變PWM占空比來調節(jié)電機轉速。

圖4 電機控制系統(tǒng)電路

3.3程序的設計

程序流程圖系統(tǒng)控制程序流程圖，如圖5所示。包含主程序流程和中斷程序流程。
基于題目要求需要控制小車巡線和數字識別轉向，小車巡線可以通過openmv采集當前位置和直線中心點的偏差，通過串口將偏差值輸入單片機進行PID調節(jié)，單片機輸出相應指令實現(xiàn)小車巡線運動。數字識別轉向可以通過k210機器視覺模塊識別圖片中的數字種類和圖片所在的坐標，并將識別信息傳遞給單片機。

圖5 主程序流程圖和中斷程序流程圖

4測試方案與測試結果

4.1測試方案

4.1.1 軟件調試

Openmv和k210的視覺識別代碼采用軟件調試的方法，通過串口發(fā)送識別到的數字，在串口調試軟件上直接打印出接收到的數字，確保代碼的正確性。

4.1.2 硬件軟件聯(lián)調

在搭建好小車的硬件結構之后，安裝Openmv，k210，STM32之后，上位機和下位機通信，上位機傳輸識別的數字和位置坐標，下位機進行相應動作。

4.2 測試條件

測試條件：黑色和紅色電工膠帶用于測試巡線和停止。數字圖片用于測試數字識別。

4.3 測試結果及分析

4.3.1測試結果

單個小車運送藥品到指定的近端病房并返回到藥房測試結果如表1，表2，表3，表4，表5所示。

4.3.2結論

根據上述測試數據可以得出以下結論：
1、本次設計采用模塊化思想，先后完成了數字檢測、電機驅動、藍牙通訊、巡線識別和電源電路等模塊的設計，較好地完成了題目的基本要求，實現(xiàn)了單個小車運送藥品到指定的病房。在此基礎上，進一步完成了題目的發(fā)揮部分，即限定時間內兩個小車協(xié)同運送藥品到指定病房
2、影響電機驅動的穩(wěn)定性和控制精度的主要因素是兩電機電流分配不均勻，為有效減少電機轉速不同影響，采用雙電機驅動模塊分別給兩個電機供電，從而有效地提高了控制精度。
3、為保證識別精度，k210在訓練時要保證數據集中圖片包含多個角度，每個數據包含多張圖片。隨著數據集增大，識別精度提高。在訓練過程中，從最初50張只有50%的精度到最后500張有80%的精度，數據識別更準確，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

4.3.3視覺識別結果

圖6 k210識別數字


圖7 openmv循跡結果文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-445825.html

附錄1：電路原理圖

附錄2：源程序

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