竞赛选题

摘要: 采用 STM32F407VET6开发板作为主控模块，设计了主要包含超声测距模块、OpenMV 模块、舵机云台模块、OLED 显示模块、按键模块和电源模块的送药小车系统。系统通过 OpenMV 进行图像处理，通过openmv识别红线通过发送给单片机再通过PWM控制调控电机，使其达到目标位置；识别方面，利用openmv自主学习原理识别阿拉伯数字并发送给stm32主控板通过超声模块识别药品是否装上；控制方式采用 PID 算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应，能很好实现将小车移向目标点。经后期测试,系统首先识别要运送的药房编号，其次识别有无药品被装载，再沿红线进行循迹将药品送入指定药房。；该系统性能可靠，技术指标满足设计要求。

关键词：STM32F407VET6开发板；OpenMV；机器视觉模板匹配；PWM控制；PID 控制；超声测距；电动小车。

系统方案设计方案主要内容（需满足赛题中内容要求）

1、设计方案工作原理

1.1 小车控制模块

方案一：openmv采用的是最新的stm32H7芯片，采用openmv一体化控制，识别数字同时识别红线运用pid算法控制电机转动 ，通过单片机显示状态，但是这样的话openmv的运算量过大，时间过长，误差较大，不能及时处理数据导致误差增大，且openmv的引脚不够，插线有问题；

方案二：STM32F407VET6单片机作为主控，通过openmv识别数字和红线，传给STM32F407VET6，再通过STM32F407VET6控制电机，这样大大减少openmv的处理，增加识别速度，提高准确度，引脚够多不用担心引脚不够用的情况；

综合以上两种方案，我们选择了方案二，采用 STM32F407VET6 单片机作为 控制器。

1.2 循迹模块

方案一：采用红外循迹。红外循迹程序简单易调，价格低廉，安装方便，可以稳定的识别黑线进行循迹，但是由于本次实验循迹的目标对象是红线，红外循迹的感光不易调，所以不适合本次比赛的循迹。

方案二：采用openmv图像处理进行循迹，采用感兴趣区颜色识别将照片分为5个小部分，相当于5路寻迹模块，当同时扫到时为十字路口，进行转弯判断。该循迹稳定且易调，只需要对openmv程序中的阈值进行适当调整即可进行红线循迹，而且openmv的视觉处理还可以识别十字路口等复杂的情况，缺点是openmv对图像处理的知识够多，上手较难。

综合以上两种方案，我们选择了方案二，采用openmv图像处理作为循迹模块。

1.3 电机驱动模块

方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案二：对于直流电机用分离元件构成驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中很广泛，但在应用中不够稳定。

方案三：采用达林顿管组成的H型PWM电路，用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，可精确调整电动机的转速。这种电路工作在饱和截止模式下，一般用起来不大经济，且难于控制。

由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，要求精度较高，所以选择方案一。

2、核心部件电路设计

电机驱动原理图

3、系统软件设计分析

3.1  软件设计

软件部分采用模块化程序设计的方法，将单片机上添加操作系统，使程序更加模块化化，系统包括信息采样，信息通信，信息处理等模块openmv数字识别采用灰度图，巡线采用RGB565，用状态标志的思想在灰度图与彩图之间切换，单片机给openmv发送高电平切换模式； 当openmv五个感光区同时为一使STM32F407VET6控制电机停下进行转弯前进倒车等程序

3.2  程序流程图

4、竞赛工作环境条件

4.1  测试环境：

地点：实验室       

时间：2021年11月7日     

温度：20℃

4.2  测试仪器：

多功能数字万用表、STM32F407VET6单片机、秒表、计算机，示波器。

4.3  测试方法：

先让摄像头先后对数字1、2进行识别，检测药品装载后在规定时间内将药品送到指定药房，1号药房送药测试

4.4  误差分析：

因为控制器的时间是通过内部定时器定时实现的，所以精度高，显示时间准，其与秒表实测值之间的微小误差是由测量误差所引起的。另外，小车采用直流电机，不能短时间急转和大弧度转弯，所以导致速度控制不够精确和稳定，这也极大的造成了误差。再加上跑道是直接使用实验室地板，所以地面的摩擦力也对小车的速度造成了影响从而导致了误差。最后就是在数据的处理时，由于人工的测量与计算，肯定存在着误差，从而导致了与理论值的偏差。

5、原理图

6、作品成效总结分析

经过测试，本系统识别药房循迹送药时，能够准确识别药房，循迹红线，其中通过openmv图像处理以及stm32f407vet6单片机数据处理可以有效判断十字路口的转弯情况；在装载药品和卸载药品时，可以通过超声模块有效判断药品的情况。本系统可满足送药小车基本任务要求。 通过本次比赛我们团队深入理解了循迹小车以及openmv识别药房的原理，并对电子设 计领域产生了极大的兴趣，同时这次比赛锻炼了我们的团队合作能力。虽然比赛 的时间有限，但是我们的研究并不会因为这次的大赛而结束，我们会在已经实现 的基础上作进一步的研究，完善其功能。

7、参考资料及文献

[1]陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航天航空大学出版社，2001.

[2]杨和平等.单片机原理与应用.北京：机械工业出版社,2008.

[3]张菊鹏等.计算机硬件技术基础（第二版）.北京：清华大学出版社，2000.

[4]阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，1998.

[5]童诗白等.模拟电子技术基础（第四版）.高等教育出版社，2010.

[6]Openmv星瞳科技论坛

[7]正点原子论坛

8、作品照片：