【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Raspberry Pi 基金會(huì) ”開(kāi)發(fā) ，EbenUpton/埃 厄普頓為項(xiàng)目帶頭人。 2020 年 3 月，英國(guó)劍橋大學(xué)埃本 阿普頓（ Eben Epton）正式發(fā)售世界上最小的臺(tái)式機(jī)，又稱卡片式哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi 電腦板，中文譯名 樹(shù)莓派 ！這一基金會(huì)以提升學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的教育，讓計(jì)算機(jī)變得有趣為宗旨。基金會(huì)期望這 一款電腦無(wú)論是在發(fā)展中國(guó)家還是在發(fā)達(dá)國(guó)家，會(huì)有更多的其它應(yīng)用不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用到更多領(lǐng)域。在 2020 年樹(shù)莓派早期概念是基于Atmel 的 ATmega644 單片機(jī)， 首批上市的 10000“臺(tái) ”樹(shù)莓派的 “板子 ”，由中國(guó)臺(tái)灣和大陸廠家制造。截止至 2020 年 6 月 1 日，樹(shù)莓派只有 A和 B 兩個(gè)型 號(hào)，主要區(qū)別： A 型： 1 個(gè) USB、無(wú)有線網(wǎng)絡(luò)接口、功率,500mA； B 型： 2 個(gè) USB、支持有線網(wǎng)絡(luò)、功率 ， 700mA。 它是一款基于 ARM 的微型電腦主板，以 SD 卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有兩個(gè) USB 接口和一個(gè)網(wǎng)口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和 HDMI 高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有 PC 的基本功能只需接通電 視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等著多功能。 Raspberry Pi B 款只提供電腦板，無(wú)內(nèi)存、電源、鍵盤、機(jī)箱或連線。 樹(shù)莓派的生產(chǎn)是通過(guò)有生產(chǎn)許可的兩家公司： Element 14/Premier Farnell 和 RS Components。這兩家公司都在網(wǎng)上出售樹(shù)莓派。樹(shù)莓派配備一枚 700MHz博通 出產(chǎn)的 ARM 架構(gòu) BCM2835 處理器， 256MB內(nèi)存（ B 型已升級(jí)到 512MB 內(nèi)存），使用 SD 卡 當(dāng)作儲(chǔ)存媒體，且擁有一個(gè)Ether，兩個(gè) USB 接口 ，以及 HDMI(支持聲音輸出 )和 RCA 端子 輸出支援。 Raspberry Pi 只有一張信用卡大小，體積大概是一個(gè)火柴盒大小，可以執(zhí)行像雷神之錘 III 競(jìng)技場(chǎng)的游戲和進(jìn)行 1080p影片的播放。操作系統(tǒng)采用開(kāi)源的 Linux 系統(tǒng) ，比如 Debian、 ArchLinux，自帶的Iceweasel、 KOffice等軟件能夠滿足基本的網(wǎng)絡(luò)瀏覽，文字處理以及計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的需要，分 A,B 兩種型號(hào)，其中售價(jià)分別是 A 型 25 美元， B型 35 美元?；饡?huì)從 2020 年 2 月 29 日開(kāi)始接受 B 型的訂貨。 樹(shù)莓派基金會(huì)提供了基于 ARM 的 Debian 和 Arch Linux 的發(fā)行版供大眾下載。還計(jì)劃提供支持 Python作為主要編程語(yǔ)言，支持 BBC、BASIC 、 (通過(guò) RISC OS 映像或者 Linux 的 Brandy Basic克隆 )、 C和Perl等編程語(yǔ)言。 Broad 的 BCM2835 的 700MHz 的 ARM1176JZFS 處理器的哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 FPU 的 VideoCore 4 GPU。 GPU 提供的 Open GL ES ，硬件加速OpenVG 的，和 1080p30 解碼高調(diào) GPU 是能夠的 1Gpixel /秒， / s 或 24GFLOPs 的紋理過(guò)濾和 DMA 基礎(chǔ)設(shè)施。 512MB RAM 10/100 BaseT 以太網(wǎng)插座 HDMI 插座 USB 插槽（ X2） RCA 視頻插座 RCA 視頻插座 microUSB 插口供電 毫米音頻輸出插孔 Arduino Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平 臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的 arduino板）和軟件（ arduino IDE)。它適用于藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師、愛(ài)好者和對(duì)于 “互動(dòng) ”有興趣的朋友們。 Arduino，是一個(gè)基于開(kāi)放原始碼的軟硬體平臺(tái)，構(gòu)建于開(kāi)放原始碼 simple I/O 介面版，并且具有使用類似 Java， C 語(yǔ)言的 Processing/Wiring 開(kāi)發(fā)環(huán)境。 圖 11 Arduino Arduino 能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。板子上的微控 制器可以通過(guò)Arduino 的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對(duì) Arduino 的編程是利用 Arduino 編程語(yǔ)言 ( 基于 Wiring)和Arduino 開(kāi)發(fā)環(huán)境 (based on Processing)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基于 Arduino 的項(xiàng)目，可以只包含 Arduino，也可以包含 Arduino 和其他一些在 PC 上運(yùn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于同類型單片機(jī)，它具有如下優(yōu)勢(shì)： 1) 開(kāi)放 源代碼 的電路圖設(shè)計(jì)， 程 序 開(kāi)發(fā)接口 免費(fèi) 下載，也可依需求自己修改。 2) 使用低價(jià)格的微處理 控制器 (AVR 系列控制器 )，可以采用 USB 接口供電，不需外接電源，也可以使用外部 9VDC 輸入。 3) Arduino 支持 ISP 在線燒，可以將新的 “bootloader”固件 燒入 AVR 芯片。有了 bootloader 之后，可以通過(guò) 串口 或者 USB to Rs232 線更新固件 。 4) 可依據(jù)官方提供的 Eagle 格式 PCB 和 SCH 電路圖簡(jiǎn)化 Arduino 模組 ，完成獨(dú)立運(yùn)作的微處理控制；可簡(jiǎn)單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接 (例如：紅外線 ,超音波 ,熱敏電阻 ,光敏電阻 ,伺服馬達(dá) ,… 等 ) 5) 支持多種互動(dòng)程序，如： Flash、 Max/Msp 、 VVVV、 PD、 C 、Processing 等。 基于 Arduino 的開(kāi)源特性， Arduino 在于 RPi 的交互中體現(xiàn)了很好的兼容性，這一點(diǎn)在之后幾章的介紹中可以很好的體現(xiàn)出來(lái)。 論文的主要內(nèi)容及研究方法 AGV 系統(tǒng)分為 Rpi 為核 心的上位機(jī)以及以 Arduino 為核心的下位機(jī)。 Rpi 通過(guò)鏈接于它的 CCD 攝像頭采集圖像并進(jìn)行分析，同時(shí) Rpi應(yīng)用自身的 wifi 模塊建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，與其他 AGV 以及總服務(wù)站進(jìn)行通訊。下位機(jī)采用 Arduino（ AVR 8 位單片機(jī)）進(jìn)行對(duì) AGV 地盤的差分驅(qū)動(dòng)控制，并對(duì)紅外傳感器、激光測(cè)距傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。 Arduino與 Rpi 之間進(jìn)行串口通訊?？偨Y(jié)起來(lái)，畢設(shè)主要研究的內(nèi)容如下： （ 1） 基于 opencv 的數(shù)字圖像預(yù)處理 OpenCV 于 1999 年由 Intel 建立，現(xiàn)在由 Willow Garage 提供支持。 OpenCV 是一個(gè)基于 [1]（開(kāi)源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，可以運(yùn)行在 Linux、 Windows 和 Mac OS 操作系統(tǒng)上。它輕量級(jí)而且高效 ——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了 Python、 Ruby、MATLAB 等語(yǔ)言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 預(yù)處理包括圖像采集 ——彩色轉(zhuǎn) HSI——圖像增強(qiáng) ——灰度二值化 ——去離散干擾噪聲 （ 2） 基于 opencv 的數(shù)字圖像特征標(biāo)識(shí) 采用邊緣檢測(cè)等算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括區(qū)域路線以及路標(biāo)的辨識(shí) （ 3） 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 針對(duì)差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析并得出小車的系統(tǒng)空間方程與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。 （ 4） 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)并制作差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制電路。該系統(tǒng)由直流電機(jī)、減速器、光電編碼盤、 arduino 8L 單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成。通過(guò)Arduino39。接受 Rpi 的控制指令，并把命令轉(zhuǎn)換成 PWM 脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò) L298 放大，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)對(duì)編碼器反饋信號(hào)經(jīng)過(guò) PI 控制器處理，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的精確速度閉環(huán)控制。 （ 5） 移動(dòng)機(jī)器人的決策控制設(shè)計(jì) 通過(guò) Arduino 實(shí)時(shí)測(cè)量的各種傳感器的信息以及 Rpi 對(duì)圖像處理分析的結(jié)果，建立一套擼棒性比較高的控制策略。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 2. AGV 視覺(jué)導(dǎo)航的總體設(shè)計(jì)方案 引言 針對(duì)于以 Raspberry Pi（一下簡(jiǎn)稱 RPi）為核心的 AGV 平臺(tái)包括硬件與軟件兩個(gè)方面。其中硬件平臺(tái)主要包括車體、電氣驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)速模塊、無(wú)線模塊和攝像頭模塊。軟件部分采用基于 OpenCV 為核心的視覺(jué)處理算法，通過(guò) cmake 編譯上位機(jī)程序，以及由 ArduinoIDE 編譯的下位機(jī)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 硬件平臺(tái) 車體構(gòu)造 AGV 的車體構(gòu)成如圖 21 所示。 a) 車體框架 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 b)萬(wàn)向輪 圖 21AGV 車體實(shí)物 AGV 車體由兩個(gè)直流電機(jī)、減速器、萬(wàn)向輪、相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、鋰電池以及控制模塊構(gòu)成。其中前后車輪采用三輪式結(jié)構(gòu)，前輪是輔助輪，兩個(gè)后輪是驅(qū)動(dòng)輪。如圖 22 所示。采用這樣的 結(jié)構(gòu)一方面在于可以根據(jù)左右驅(qū)動(dòng)的差速來(lái)控制 AGV 轉(zhuǎn)向，另一方面是可以減少功耗。 圖 22 三輪式 AGV 電氣裝置 如圖 23 所示， AGV 的電氣驅(qū)動(dòng)由 Arduino 下位機(jī)、直流伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和減速器構(gòu)成。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 AGV 通過(guò)下位機(jī)控制兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 圖 23 AGV 電氣驅(qū)動(dòng)裝置 測(cè)速模塊 如圖 24 所示，測(cè)速模塊采用光耦光電傳感器，在單位時(shí)間內(nèi)讀取脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出每個(gè)輪的轉(zhuǎn)速。 圖 24 測(cè)速模塊 無(wú)線模塊 常見(jiàn)的近距離無(wú)線通信技術(shù)有藍(lán)牙、 ZigBee、 WiFi 等，遠(yuǎn)距離通信技術(shù)有 GPRS、射頻、 GPS、 3G 等，本系統(tǒng)結(jié)合 AGV 的實(shí)際運(yùn)行環(huán)哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 境，采用近距離與遠(yuǎn)距離結(jié)合的方案。如圖 25 所示，在室內(nèi)等近距離環(huán)境，采用由 WIFI 基站構(gòu)成的無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境；在室外等遠(yuǎn)距離環(huán)境，采用由 3G 構(gòu)成的遠(yuǎn)程通信方式。 a） wifi 模塊 b) 3G 模塊 圖 25 無(wú)線通信模塊 攝像頭模塊 AGV 的視覺(jué)導(dǎo)航，主要依靠攝像頭模塊檢測(cè)道 路信息。攝像頭分為 CMOS 與 CCD 兩種。如圖 26 所示，在不影響對(duì)數(shù)據(jù)的提取的前提下，本模塊采用了一種廉價(jià)的 CMOS 攝像頭。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 26 攝像頭模塊 軟件平臺(tái) AGV 控制系統(tǒng)的上位機(jī)以 RPi 為平臺(tái)，使用 CMake 為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。 CMake 是一個(gè)跨平臺(tái)的安 裝 (編譯 )工具 ,可以用簡(jiǎn)單的語(yǔ)句來(lái)描述所有平臺(tái)的安裝 (編譯過(guò)程 )。他能夠輸出各種各樣的 makefile 或者project 文件 , 能測(cè)試 編譯器 所支持的 C++ 特性 , 類似 UNIX 下的automake。只是 CMake 的 組態(tài)檔 取名為 。 Cmake 并不直接建構(gòu)出最終的軟件，而是產(chǎn)生標(biāo) 準(zhǔn)的建構(gòu)檔（如 Unix 的 Makefile 或 Windows Visual C++ projects/workspaces），然后再依一般的建構(gòu)方式使用。上位機(jī)中的圖像處理以及無(wú)線通信的相關(guān)算法都是在該環(huán)境下完成的。 下位機(jī)采用 Arduino 平臺(tái)，并采用基于 Arduino 的官方 IDE。這里的算法包括車速控制以及路徑規(guī)劃。 AGV 系統(tǒng)的整個(gè)流程圖框架如下。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 a)上位機(jī) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 b）下位機(jī) 圖 27 系統(tǒng)流程圖 視覺(jué)導(dǎo) 航機(jī)器人的性能指標(biāo) AGV 涉及到的技術(shù)主要包括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)。具體如下： AGV 路徑和路標(biāo)的識(shí)別，控制算法的選擇與優(yōu)化，無(wú)線通信指令的發(fā)送接收，紅外傳感器的應(yīng)用等等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 AGV 的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表 21 所示： 表 21 工程技術(shù)指標(biāo) 型 號(hào) 導(dǎo)引方式 機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)引 驅(qū)動(dòng)方式 差分 驅(qū)動(dòng) 車體尺寸 250mm150mm130mm 自重 2 kg 最大速度 m/s 走行方式 驅(qū)動(dòng)輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向；前進(jìn)、后退、原地回轉(zhuǎn) 最小回 轉(zhuǎn) 半徑 電池 鋰電池 運(yùn)行模式 手動(dòng)、自動(dòng) 兩 種模式 通訊方式 無(wú)線通信 使用環(huán)境 10~40176。C(室內(nèi) )；地面傾斜 1176。以內(nèi) 本章小結(jié) 本章主要講述了 AGV