2021电赛F题智能送药小车方案分析(openMV数字识别,红线循迹,STM32HAL库freeRTOS,串级PID快速学习,小车自动返回）

2023-05-16

2021全国大学生电子设计竞赛F题智能送药小车

前提：本篇文章重在分享自己的心得与感悟，我们把最重要的部分，摄像头循迹，摄像头数字识别问题都解决了，有两种方案一种是openARTmini摄像头进行数字识别加寻迹，即融合代码。另一种是使用openmv4进行数字识别（使用的是模板匹配），然后利用灰度传感器进行寻迹。因为当时python用得不算很熟，最终我们选择了第二种方案使open MV4实现数字识别，灰度传感器寻迹，在控制智能车运动调试的过程中更加简单。当然赛后我们也尝试了使用open ARTmini的方案，同样操作容易。其次我们下来也做了方案三K210数字识别，数字识别率可达97.8%，使用openmv寻迹。
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人们常常希望向成功者获取经验，可是生活中哪有那么多成功者，我想只有失败者才最有发言权，最有经验可以分享吧。因为某些原因我们无缘国奖，但我不甘是失败者，我们为此付出了多少，坚持了多少，只有我们自己知道，只要全力以赴就无所谓失败，也许多年后再回过头来看，想起来这些热血我依然能够热泪盈眶，那就无悔了。
追求卓越，成功才会在不经意见追上你！

目录：
一、题目分析
二、分工以及小车的搭建
三、摄像头部分
四、控制部分
五、联调
六、随谈
七、工程代码

备注：
只需要工程代码的同学（如下是此次电赛过程中所有的代码），建议先看完正文
openMV4模板匹配数字识别方案，本次电赛所有工程代码包括论文报告
https://download.csdn.net/download/cubejava/79012510
openmv巡线代码：
https://download.csdn.net/download/cubejava/41873305
stm32HAL库keil工程（配置freeRTOS,巡线，自动返回，定点停车）：
https://download.csdn.net/download/cubejava/41871669
openARTmini巡线和数字识别的融合代码：
https://download.csdn.net/download/cubejava/79012645
小车底板AD原理图和pcb工程：
https://download.csdn.net/download/cubejava/42512528

（可私聊提供技术支持，代码注释完善，若有不懂的可手把手教学）

正文

一、题目

在这里插入图片描述

我们是做测控方向的，当时在4号早上7：30左右题目就出来了，随即就有人发在了群里。
看了一下测控方向除了无人机能选的也就D题和F题了，D题是基于互联网的摄像测量系统（D题），我们对这方面的了解不多，没有什么把握，就没敢选，后来听说选D题的在GitHub上能够找到源码，做到后面车调不动时倒有点小后悔，哈哈。

F题经典小车题目，但与往年不同的是今年识别和控制都是重点，必须要先能做到识别，你才能谈接下来的循迹和运动控制。
谈到识别就需要用到摄像头，但之前我们对于摄像头并没有太重视，循迹一般用的都是红外对管，灰度传感器，或者线性CCD就足够了，但是这次的赛到元素存在十字，黑白色块，还要求能自动返回，使用普通的循迹模块就比较吃力了。在电赛备赛期间就做过线性CCD寻迹的智能车，使用的stm32f4，HAL库，cube MX配置的。采取了二值化，动态阈值算法，将CCD采集的值滤波，导入PID，再加入速度环，实现串级PID。也算是练了练手。
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工程链接：https://download.csdn.net/download/cubejava/79012959

二、分工以及小车的搭建

我们组三人都没有玩过摄像头，要立马开始现学，我们一开始准备使用openmv进行循迹和数字识别，后来发现我们的openmv的版本不能训练神经网络，必须要openmvplus（可是没有，买又来不急送到），就很难受。
于是我们想采用openARTMiNi进行数字识别加循迹，但由于python用得不熟，当时没有足够的把握能够实现。所以我们采取了折中的办法，即文章开头说的，openMV使用模板匹配识别数字，寻迹使用灰度传感器。
其中一位学长着手完成openMV模板匹配识别数字，另和我则负责stm32f4的工程创建小车的底层代码和运动控制，使用的HAL库。
由于之前备赛准备的东西比较充分，所以当天上午就把车给搭建好了，使用平衡小车，加了一个万向轮，转弯差速控制。
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小车硬件：
STM32F411CEU6，TB6612，车模（自带霍尔编码器减速电机），LM2596,MPU6050,航模电池，openMV,K210
使用AD画小车底板。原理图和PCB如下

小车软件：
使用的HAL库建立工程，在cubeMX中配置freeRTOS操作系统，
在这里插入图片描述
KEIL工程程序代码：

串口重定向printf

/*串口重定向printf*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart6, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);
  return ch;
}

编码器模式取值

/*编码器模式取值*/
int Read_Encoder(uint8_t TIMX)           
{
   int Encoder_TIM;    
   switch(TIMX)
	 {
	   case 1:  Encoder_TIM= (short)TIM1 -> CNT;  TIM1 -> CNT=0;break;
		 case 2:  Encoder_TIM= (short)TIM2 -> CNT;  TIM2 -> CNT=0;break;	
		 
		 default:  Encoder_TIM=0;
	 }
		return Encoder_TIM;
}

判断mpu6050初始化是否成功

void Mpu6050_Init()
{
	while(w_mpu_init() != mpu_ok)           
	{
		printf("0x%x (ID_ERROR)\r\n", w_mpu_init());
		HAL_Delay(10);
	}
	/*DMP初始化*/
	dmp_init();     
}

初始化程序

int main(void)
{
	/*开启编码器计数*/
	HAL_TIM_Encoder_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_ALL);
	HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
	/*开启电机PWM输出*/
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_2);
	/*开启舵机的PWM输出*/
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim5,TIM_CHANNEL_3);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim5,TIM_CHANNEL_4);
	/*Enable the USART1 Interrupt*/
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(uint8_t *)&usart6_rxbuff,1);
	/*临时*/
	Temporary();
	Mpu6050_Init();
	/*使能定时器4中断*/
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim4);
	HAL_UART_Transmit(&huart6, (uint8_t *)&cc, 1,0xFFF);
//	TIM3 ->CCR1 = 400;
//		TIM3 ->CCR2 = 400;
  /* USER CODE END 2 */

  /* Call init function for freertos objects (in freertos.c) */
    MX_FREERTOS_Init();
	HAL_UART_Transmit(&huart6, (uint8_t *)&cc, 1,0xFFF);
  /* Start scheduler */
    osKernelStart();
   while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
//		printf("-------------\r\n");
//		HAL_Delay(500);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
		
		
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

freeRTOS.C文件中的代码

```c![在这里插入代码片](https://img-blog.csdnimg.cn/900085698de24363b9b8bb58cad34e06.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s,shadow_50,text_Q1NETiBA5Lmf5peg6aOO6Zuo5Lmf5peg5oOFV1k=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16)

巡线和功能实现代码均放在freeRTOS.C中

在这里插入图片描述

三、摄像头部分

有关摄像头部分，我们在第一天尝试过单使用openMV寻迹，但神经网络训练不了就弃置了。
在openmv中处理好数据，可以寻红线，识别十字，识别黑白色块，
传回来的数据：
左右线传回为模拟量，传入单片机，进行pid控制
在这里插入图片描述
openMV模板匹配识别数字：

可实现一排识别多个数字。

四、控制部分

控制部分，巡线使用的PD控制

首先速度闭环，PI控制，让小车保持在一个稳定的速度
在这里插入图片描述
在速度环上叠加一层方向环，PD控制，巡线

int track_control(float collect_openmv)
{
	static float last_bias,Bias,kp=0.75,Kd=0.25;//0.5的效果还行
	float Turn;     	  
	Bias=-(collect_openmv-60);
	Turn=-Bias*kp-Kd*(Bias-last_bias);
	last_bias = Bias;
	//printf("\r\nt:%.1f\r\n",Turn);
	return Turn;
}

小车的自动返回，和判定十字转弯，黑白色块停车使用了标志位，定义数组，根据出栈入栈原理，记录去回的方向。
在这里插入图片描述

五、联调

openmv和K210的数据传入单片机
打开串口中断，注意需要写好摄像头和单片机之间的通信协议，如下：
在这里插入图片描述

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)    //串口中断，遥控部分。
{
	uint16_t tem;
	if(huart->Instance == USART1)	// 判断是由哪个串口触发的中断
	{

		//printf("ok");
		tem = usart6_rxbuff;
		printf("%x\r\n",tem);
		if(RxState==0&&tem==0x79)
		{
			RxState=1;
			RxBuffer1[RxCounter1++]=tem;
		}
		else if(RxState==1)
		{
			RxBuffer1[RxCounter1++]=tem;
			if(RxCounter1>=10||tem == 0x85)       //RxBuffer1接受满了,接收数据结束
			{
				RxState=2;
			}
		 }
		 else if(RxState==2)		//检测是否接受到结束标志
		 {
				if(RxBuffer1[RxCounter1-1] == 0x85)
				{
						if(RxBuffer1[1] == 0xaa)//识别
						{
							Flag = Flag + 1;
		
							JG=RxBuffer1[RxCounter1-2];
							Turn = RxBuffer1[RxCounter1-3];
							if(Flag>3)
							{
								if(JG>0&&FS==0) {FS = JG;}
								printf("\r\n Turn:%d FS:%d  \r\n",Turn,FS);
							}

						}
						if(RxBuffer1[1] == 0xbb)//搜线
						{
							printf("\r\n___sou xian___\r\n");
							printf("\r\n Cx:%d, STOP:%d \r\n",Cx,STOP);
							Cx=RxBuffer1[RxCounter1-2];

							STOP=RxBuffer1[RxCounter1-3];
						}
						


							RxCounter1 = 0;
							RxState = 0;
						
				}
				else   //接收错误
				{
							RxState = 0;
							RxCounter1=0;
							for(i=0;i<10;i++)
							{
									RxBuffer1[i]=0x00;      //将存放数据数组清零
							}
							printf("接收错误\r\n");
				}
			}
		 if(state==2)
		 {
			 if(STOP == 0)
			 {
				 state = 0;
			 }
		 }
		 if(state==4)
		 {
			 if(STOP == 0)
			 {
				 state = 0;
			 }
		 }
	}
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&usart6_rxbuff, 1); 
}

六、随谈

在这里插入图片描述

我们是在结束的前一天晚上完成好的数字识别，离调车整个程序的逻辑就只有一天的时间，说真的，程序写少了，这个程序逻辑真的很难想出来，尤其是在当时已经连续三天每天只睡2个小时左右，头脑非常混沌，呆滞。
还是要多写程序，练习自己写程序的逻辑思维。

结尾：第一次参加国赛，也是第一次参加电赛，本来应该是大一结束就开始了的，电赛延期拖到了大二开学后的一段时间，自己需要学的内容还有很多，好好学习，提升自己的技术，明年省赛继续冲！

七、工程代码：

openMV4模板匹配数字识别方案，本次电赛所有工程代码包括论文报告
https://download.csdn.net/download/cubejava/79012510
openmv巡线代码：
https://download.csdn.net/download/cubejava/41873305
stm32HAL库keil工程（配置freeRTOS,巡线，自动返回，定点停车）：
https://download.csdn.net/download/cubejava/41871669
openARTmini巡线和数字识别的融合代码：
https://download.csdn.net/download/cubejava/79012645
小车底板AD原理图和pcb工程：
https://download.csdn.net/download/cubejava/42512528

备注：这些都是我们没日没夜熬出来的程序代码，花费了很多精力，所以没有免费开源(望理解)，设置了付费，不过在博客里也写了相关的思路，可以参考借鉴一些经验，来年省赛加油！！！
现在电赛越来越趋向于视觉和人工智能了，一定要好好学习摄像头，视觉，神经网络。

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