陶筱云 張煒瑋 劉潤(rùn)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(wèn)題，緩解社會(huì)養(yǎng)老壓力，解放年輕生產(chǎn)力，需要一款能定時(shí)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(shí)別的算法在小車(chē)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(jiǎn)便，結(jié)合藍(lán)牙APP能實(shí)現(xiàn)老年人日常居家所需的簡(jiǎn)單護(hù)理操作。本設(shè)計(jì)主要討論智能小車(chē)基于Apriltag識(shí)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(chē)

0 引言

所謂“生老病死”是人生常態(tài)，人到老年難免會(huì)面臨行動(dòng)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(zhǎng)期服藥用以緩解病痛或維持身體機(jī)能。且現(xiàn)今社會(huì)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(huì)養(yǎng)老壓力。

本設(shè)計(jì)希望能夠解決老年人行動(dòng)不便、記憶力衰退帶來(lái)的忘記定時(shí)吃藥的問(wèn)題，結(jié)合OPENMV攝像頭模塊和Apriltag識(shí)別，利用OPENMV自帶的智能算法與Apriltag類(lèi)二維碼存儲(chǔ)量大、編碼范圍廣、容錯(cuò)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(shí)別。操作和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在一般戶(hù)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(jì)

利用STM32F103RC單片機(jī)主控結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，提高測(cè)算速度和精度。利用Apriltag自帶的算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)于固定目標(biāo)的“定位”功能，即可以輸出小車(chē)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(duì)不同Apriltag的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)小車(chē)尋找到固定目標(biāo)的功能。得到OPENMV 模塊輸出的參量后，通過(guò)串口，使主控STM32F103RC單片機(jī)和控制小車(chē)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(chē)在一般家庭戶(hù)型中自由行走，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)尋找固定目標(biāo)的功能。

2.AprilTag介紹

AprilTag是一個(gè)視覺(jué)基準(zhǔn)庫(kù)，近年來(lái)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(gè)種類(lèi)，也稱(chēng)六個(gè)家族：TAG16H5，TAG25H7，TAG25H9，TAG36H10，TAG36H11，ARTOOLKIT每個(gè)家族含至少30個(gè)id，至多2320個(gè)id，但家族內(nèi)包含id數(shù)量越多，AprilTag識(shí)別的準(zhǔn)確率就越高，通過(guò)選擇不同家族，可滿(mǎn)足對(duì)不同數(shù)量的編碼。可以通過(guò)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(cè)的方法主要是識(shí)別一四邊形區(qū)域，這一塊區(qū)域較周?chē)鷧^(qū)域亮度更暗，通過(guò)其內(nèi)部亮塊的不同組合方式，識(shí)別到特定id。因此，黑色AprilTag較其他顏色識(shí)別準(zhǔn)確率更高。通過(guò)其內(nèi)置算法，用戶(hù)可以得到角度，3D坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)主要使用的是TAG36H11，也是應(yīng)用最廣泛的一個(gè)家族。

3.智能小車(chē)尋找固定目標(biāo)方法設(shè)計(jì)

小車(chē)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(jué)識(shí)別部分、小車(chē)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(jué)識(shí)別部分主要負(fù)責(zé)AprilTag的識(shí)別和方向角度、3D位置的計(jì)算;52單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要負(fù)責(zé)左右轉(zhuǎn)向輪的控制。

3.1OPENMV攝像頭視覺(jué)識(shí)別部分

通過(guò)OPENMV對(duì)AprilTag識(shí)別后可得到六個(gè)變量，分別為xyz坐標(biāo)軸的三個(gè)變量，以及xyz坐標(biāo)軸上的三個(gè)偏量，即三個(gè)位置參量，三個(gè)角度參量。使用者可以通過(guò)MicroPython語(yǔ)言進(jìn)行編程，輸出所需變量，減少程序計(jì)算量，提高響應(yīng)速率，也減少錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

嘗試兩種方法：

（1）將AprilTag置于識(shí)別地點(diǎn)門(mén)框或墻面低處;

將AprilTag置于識(shí)別地點(diǎn)的門(mén)框或者墻面低處，openmv攝像頭與AprilTag距離更近，識(shí)別精度較高，但無(wú)法精確控制小車(chē)車(chē)身朝向，可能在小車(chē)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(wèn)題。

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

（2）將AprilTag置于識(shí)別地點(diǎn)中心天花板;

將AprilTag置于識(shí)別地點(diǎn)中心的天花板上，可以通過(guò)AprilTag發(fā)送的角度參量對(duì)車(chē)身朝向和小車(chē)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(guò)高可能出現(xiàn)識(shí)別不精確或難以識(shí)別的問(wèn)題，但減小了AprilTag計(jì)算出的三維距離與實(shí)際距離存在誤差對(duì)小車(chē)找到固定目標(biāo)的影響。

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

OPENMV發(fā)出的參量與實(shí)際兩會(huì)有2-3厘米的誤差，將通過(guò)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(lái)的影響。

3.2STM32主控部分

小車(chē)主開(kāi)關(guān)閉合后，小車(chē)及其他附屬部分上電，將自主進(jìn)行定時(shí)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(kāi)與OPENMV的異步通信串口，接收OPENMV視覺(jué)系統(tǒng)掃描并計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)組中;同時(shí)打開(kāi)接收語(yǔ)音識(shí)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(lái)的AprilTag的id進(jìn)行匹配，若匹配成功，則將出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組內(nèi)，供后續(xù)條件判斷，小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mén)寬為80厘米至100厘米，為保證小車(chē)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(lái)的參量（即小車(chē)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(shí)別地點(diǎn)門(mén)框或墻面低處，Z軸對(duì)應(yīng)值（即小車(chē)與目標(biāo)正前方直線(xiàn)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(duì)應(yīng)值（即小車(chē)與目標(biāo)中心左右距離的差距）為正數(shù)，則小車(chē)向右轉(zhuǎn)90°后向前行進(jìn)該值-10的距離;若對(duì)應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則小車(chē)向左轉(zhuǎn)九十°后向前行進(jìn)該值-10的距離。

（2）若AprilTag置于識(shí)別地點(diǎn)中心天花板，Y軸對(duì)應(yīng)值（即小車(chē)與目標(biāo)正前方直線(xiàn)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(duì)應(yīng)值（即小車(chē)與目標(biāo)中心左右距離的差距）為正數(shù)，則小車(chē)向右轉(zhuǎn)90°后向前行進(jìn)該值-10的距離;若對(duì)應(yīng)值為負(fù)數(shù)，則小車(chē)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(chē)行進(jìn)控制部分

小車(chē)的避障方案選擇中斷的方式，無(wú)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(cè)距算法，檢測(cè)到小車(chē)車(chē)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(dòng)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(wú)障礙物，則前進(jìn)20厘米，再驅(qū)動(dòng)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(dòng)左電機(jī)，控制小車(chē)向右旋轉(zhuǎn)180°，后前進(jìn)20厘米，再驅(qū)動(dòng)左輪向右旋轉(zhuǎn)90°回到正確方向。最后重新識(shí)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(xiě)。Apriltag二維碼放置的位置對(duì)攝像頭識(shí)別準(zhǔn)確性及距離測(cè)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(shí)別地點(diǎn)門(mén)框或墻面低處時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確度及距離測(cè)算精度都較高，但由于小車(chē)避障部分依靠紅外攝像頭和簡(jiǎn)單程序編寫(xiě)，在其完成避障操作的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)車(chē)身無(wú)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(shí)別地點(diǎn)中心時(shí)，由于小車(chē)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(shí)別準(zhǔn)確度及距離測(cè)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(lái)減小誤差;相較于前一中方法，將Apriltag置于識(shí)別地點(diǎn)中心可以通過(guò)發(fā)送角度參量來(lái)確定車(chē)身是否朝正，有利于車(chē)身在避障操作后回正，減小了丟失目標(biāo)的可能性。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“康護(hù)智能小車(chē)”（項(xiàng)目號(hào)：202110066005）

作者簡(jiǎn)介：陶筱云（2000-），女，本科生，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)。