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樹莓派救援機器人制作

2020-10-06 01:41:09 軟體設計

前言:

利用APP inventor構建一個APP作為客戶端程式,利用Flask框架結合樹莓派構建一個服務器端程式,兩者間通信,制作出一個木質外殼結構、帶有攝像頭和機械臂,同時具備人臉檢測和紅外目標搜索功能的救援機器人,

材料準備:

橫截面為邊長1.5cm正方形的木條若干米、樹莓派4B、BST-4WD拓展板、金屬TT電機X4、金屬舵機及必要配件X6、12.6V動力鋰電池、3D列印齒輪X8、PCA9685舵機驅動板、人體熱釋紅外傳感器、手機X2、杜邦線若干條、廢棄瓶蓋若干

硬體結構:

在這里插入圖片描述

軟體原理:

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實物圖:

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實作功能:

1.通過點擊APP上的方向按鈕和速度調節滑動條來操縱機器人前、后、左、右、轉向的運動以及速度調節,
2.通過點擊APP的上攝像頭云臺控制按鈕實作對攝像頭方向的水平和垂直調節,并通過APP影像顯示區域實時顯示opencv采集并處理過的視頻流,如果檢測到人臉則對人臉進行矩形框標記,從而實作對環境和人臉的感知,
3.通過點擊人臉檢測按鈕,opencv采集單張影像,然后呼叫百度人臉檢測介面進行人臉檢測,將回傳的資料處理后發送到手機,最終實作在資訊顯示框查看年齡、性別、表情、是否佩戴口罩、配戴眼鏡型別等檢測資料,APP呼叫百度語音合成介面朗讀以上資料的效果,
4.點擊紅外目標搜索按鈕,開始進行生命體搜索,如果搜索到紅外目標則APP語音合成提示資訊,
5.通過點擊機械臂控制按鈕實作對4自由度機械臂的控制,從而達到機械臂抓取物體并放置到車體上帶回的目的,

程式實作:

樹莓派Python代碼:

# main.py
from flask import Flask, render_template, Response,request
from camera import VideoCamera
from urllib.parse import urlencode
import urllib
import RPi.GPIO as GPIO
import Adafruit_PCA9685
import requests
import base64

#引腳定義
left_moto1=20
left_moto2=21
left_pwm=16

right_moto1=19
right_moto2=26
right_pwm=13

hongwai_pin=22

#變數定義
speed=0

pwm_left=None
pwm_right=None

servo_min = 150  
servo_max = 600  

pwm_servo=None

face_check_flag='0'

#圖片存盤路徑
pic_path='/home/pi/wifi_car/test.jpg'
#百度AI appkey secretkey
ak="qTKX7mY59YeZ1GfiW0HYv1mK"
sk="UHu5yYuQahn7L4DGxPYhi1WL6v5tjnXm"
data_str='收到此檢測訊息表明人臉檢測功能正常,請正式開始使用!'

#初始化函式
def init():
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setwarnings(False)
    GPIO.setup(left_pwm,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH)
    GPIO.setup(left_moto1,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
    GPIO.setup(left_moto2,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
    GPIO.setup(right_pwm,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH)
    GPIO.setup(right_moto1,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
    GPIO.setup(right_moto2,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
    GPIO.setup(hongwai_pin,GPIO.IN)
   
    global pwm_left
    global pwm_right
    pwm_left = GPIO.PWM(left_pwm, 2000)
    pwm_right = GPIO.PWM(right_pwm, 2000)
    
    global pwm_servo
    pwm_servo = Adafruit_PCA9685.PCA9685()
    pwm_servo.set_pwm_freq(60)
    

#前進函式
def car_forward():
    GPIO.output(left_moto1,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(left_moto2,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto1,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(right_moto2,GPIO.LOW)
    pwm_left.start(speed)
    pwm_right.start(speed)

#后退函式
def car_back():
    GPIO.output(left_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(left_moto2,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(right_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto2,GPIO.HIGH)
    pwm_left.start(speed)
    pwm_right.start(speed)

#左轉函式
def car_left():
    GPIO.output(left_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(left_moto2,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(right_moto1,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(right_moto2,GPIO.LOW)
    pwm_left.start(speed)
    pwm_right.start(speed)

#右轉函式
def car_right():
    GPIO.output(left_moto1,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(left_moto2,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto2,GPIO.HIGH)
    pwm_left.start(speed)
    pwm_right.start(speed)

#停止函式
def car_stop():
    GPIO.output(left_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(left_moto2,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto1,GPIO.LOW)
    GPIO.output(right_moto2,GPIO.LOW)

#獲取百度AI access_token
def getAccess_token(AK,SK):
    host = "https://aip.baidubce.com/oauth/2.0/token?grant_type=client_credentials&client_id="+AK+"&client_secret="+SK
    response = requests.get(host)
    access_token=''
    if response:
        dict=response.json()
        access_token=dict.get("access_token","none")
        #print(dict.get("access_token","none"))
        
    return access_token

#圖片進行base64編碼函式
def Base64(img_path):
    with open(img_path, 'rb') as f:
        image_data = f.read()
        base64_data = base64.b64encode(image_data)  # base64編碼
        string=str(base64_data,"utf-8")
        # print(string)
        
    return string

#請求資料函式
def request_post(base64_code,access_token):
    request_url = "https://aip.baidubce.com/rest/2.0/face/v3/detect"
    #請求引數 年齡 性別 表情 口罩 眼鏡
    params={'image':''+base64_code+'','image_type':'BASE64','face_field':'age,gender,expression,mask,glasses'}
    params=urlencode(params)
    request_url = request_url + "?access_token=" + access_token
    request = urllib.request.Request(url=request_url,data=params.encode("utf-8"))
    request.add_header('Content-Type', 'application/json')
    response = urllib.request.urlopen(request)
    content = response.read()
    
    return content

#回傳資料處理
def baidu_api(path,ak,sk):
    global data_str
    base64_code = Base64(path)
    token=getAccess_token(ak,sk)
    data_set=request_post(base64_code,token)
    print('**********************')
    print(data_set)
    print('**********************')
    string=bytes.decode(data_set)
    #print(string)
    dict_data=eval(string)
    dict_data2=dict_data.get("result","none")
    dict_data3=dict_data2.get("face_list","none")
    dict_data4=dict_data3[0]
    age=dict_data4.get("age","none")
    age_str="年齡:"+str(age)+","
    print(age_str)
    # beauty=dict_data4.get("beauty","none")
    # beauty_str="beauty:"+str(beauty)
    # print(beauty_str)
    gender=dict_data4.get("gender","none").get("type","none")
    gender_str="性別:"+str(gender)+","
    print(gender_str)
    glasses=dict_data4.get("glasses","none").get("type","none")
    glasses_str="眼鏡型別:"+str(glasses)+","
    print(glasses_str)
    mask=dict_data4.get("mask","none").get("type","none")
    mask_str="是否佩戴口罩:"+str(mask)
    print(mask_str)
    expression=dict_data4.get("expression","none").get("type","none")
    expression_str="表情:"+str(expression)+","
    print(expression_str)
    
    data_str=age_str+gender_str+glasses_str+expression_str+mask_str

#flask
app = Flask(__name__)

#默認路由
@app.route('/')
def index():
    
    return render_template('index.html')
 
def gen(camera):
    global face_check_flag
    while True:
        if face_check_flag=='1':
            camera.save_pic()#保存影像
            print("save pic OK")
            baidu_api(pic_path,ak,sk)
            face_check_flag='0'
        
        frame = camera.get_frame()
        yield (b'--frame\r\n'
               b'Content-Type: image/jpeg\r\n\r\n' + frame + b'\r\n\r\n')

#獲取視頻流路由    
@app.route('/video_feed')
def video_feed():
    
    return Response(gen(VideoCamera()),
                    mimetype='multipart/x-mixed-replace; boundary=frame')

#人臉檢測路由
@app.route('/face_check',methods=['GET'])
def face_check():
    global face_check_flag
    data=request.args.get('data')
    print('The data is :',data)
    #print("Type is :",type(data))
    face_check_flag=data
        
    return data_str

#運動控制路由
@app.route('/sport',methods=['GET'])
def sport():
    data=request.args.get('data')
    if data=='forward':     
        car_forward()
    if data=='back':
        car_back() 
    if data=='left':
        car_left()
    if data=='right':
        car_right()
    if data=='stop':
        car_stop()
    

    print("the data is :",data)
    #print(type(data))
    
    return 'Sport OK'

#速度調節路由
@app.route('/speed',methods=['GET'])
def getSpeed():
    data=request.args.get('data')
    global speed
    speed=float(data)
    
    return 'Speed OK'

#舵機1控制路由    
@app.route('/servo1',methods=['GET'])
def getServo1():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int(450/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(1,0,servo_val)
    
    return 'Servo1 OK'

#舵機2控制路由   
@app.route('/servo2',methods=['GET'])
def getServo2():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int(450/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(2,0,servo_val)
    
    return 'Servo2 OK'

#舵機3控制路由   
@app.route('/servo3',methods=['GET'])
def getServo3():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int(450/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(3,0,servo_val)
    
    return 'Servo3 OK'

#舵機4控制路由   
@app.route('/servo4',methods=['GET'])
def getServo4():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int((servo_max-servo_min)/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(4,0,servo_val)
    
    return 'Servo4 OK'

#攝像頭云臺水平調節路由   
@app.route('/camera_horizon',methods=['GET'])
def get_cam_horizon():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int(450/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(5,0,servo_val)
    
    return 'camera_horizon OK'

#攝像頭云臺垂直調節路由   
@app.route('/camera_vertical',methods=['GET'])
def get_cam_vertical():
    data=request.args.get('data')
    angle=int(data)
    servo_val=int(450/270*angle)+150 
    pwm_servo.set_pwm(6,0,servo_val)
    
    return 'camera_vertical OK'

#紅外檢測路由
@app.route('/hongwai',methods=['GET'])
def hongwai():
    if GPIO.input(hongwai_pin)==True:
	    print("hongwai_OK")
	    return "hongwaiok"
    else:
	    print("hongwai_ERROR")
	    return "hongwaierror"
        
if __name__ == '__main__':

    #初始化函式呼叫
    init()
    #flask運行
    app.run(host='192.168.43.180' ,port=8123, debug=True)
        

        
    

# camera.py
import cv2 as cv

#IP攝像頭地址
camera_url='http://admin:admin@192.168.43.73:8081'


class VideoCamera(object):
    #實體視頻流獲取物件
    def __init__(self):
        self.video = cv.VideoCapture(camera_url)
 
    def __del__(self):
        self.video.release()

    #影像保存函式   
    def save_pic(self):
        ret, image = self.video.read()
        cv.imwrite('/home/pi/wifi_car/test.jpg',image)
    
    #獲取視頻流幀 處理
    def get_frame(self):
        success, frame = self.video.read()
        
        gray=cv.cvtColor(frame,cv.COLOR_BGR2GRAY)
        #opencv級聯分類器檢測
        face_cascade = cv.CascadeClassifier("data/haarcascade_frontalface_alt.xml")
        faces=face_cascade.detectMultiScale(gray,scaleFactor=1.2,minNeighbors=4,flags=cv.CASCADE_SCALE_IMAGE,minSize=(100, 100),maxSize=(250,250))
        # print(faces)
        
        #矩形框標記人臉
        for (x,y,w,h) in faces:
            frame= cv.rectangle(frame,(x,y),(x+w,y+h),(255,255,0),2)
            
        ret, jpeg = cv.imencode('.jpg', frame)
        
        return jpeg.tobytes()

<!--index.html 視頻顯示頁面-->
<html>
  <head>
    <title>Video Streaming Demonstration</title>
  </head>
  <body>
    
    <img src="{{ url_for('video_feed') }}" width="100%" height="120%">
  </body>
</html>

APP inventor代碼塊(部分):
在這里插入圖片描述
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在這里插入圖片描述
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在這里插入圖片描述

結束語:

受樹莓派引腳和拓展板的限制,加裝更多的傳感器很不方便,在Arduino上安裝傳感器,利用串口將資料發送給樹莓派理論上應當可行,但是在實際的編程中要將讀取功能放在Flask里面,這卻未能達到理想效果,因此這是一個待改進的地方,

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    他們集團的資訊化公司及研究院在一個礦區正在做智能礦山的統一平臺的 試點,專案投資大概1億,包括了礦山的各方面的內容,顯示得我們這次交流有點多余。他們2年前開始做智能礦山的規劃,有很多煤礦行業專家的加持,他們的描述是非常完美,但是去年底應該上線的平臺,現在還沒有看到影子。他們確實有很多場景需求,但是被... ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:19:07 more
  • 《社區人員管理》實戰案例設計&個人案例分享

    設計是一個讓人夢想成真程序,開始編碼、測驗、除錯之前進行需求分析和架構設計,才能保證關鍵方面都做正確 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:18:57 more
  • 軟體架構生態化-多角色交付的探索實踐

    作為一個技術架構師,不僅僅要緊跟行業技術趨勢,還要結合研發團隊現狀及痛點,探索新的交付方案。在日常中,你是否遇到如下問題 “ 業務需求排期長研發是瓶頸;非研發角色感受不到研發技改提效的變化;引入ISV 團隊又擔心質量和安全,培訓周期長“等等,基于此我們探索了一種新的技術體系及交付方案來解決如上問題。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:18:49 more
  • 05單件模式

    #經典的單件模式 public class Singleton { private static Singleton uniqueInstance; //一個靜態變數持有Singleton類的唯一實體。 // 其他有用的實體變數寫在這里 //構造器宣告為私有,只有Singleton可以實體化這個類! ......

    uj5u.com 2023-04-19 08:42:51 more
  • 【架構與設計】常見微服務分層架構的區別和落地實踐

    軟體工程的方方面面都遵循一個最基本的道理:沒有銀彈,架構分層模型更是如此,每一種都有各自優缺點,所以請根據不同的業務場景,并遵循簡單、可演進這兩個重要的架構原則選擇合適的架構分層模型即可。 ......

    uj5u.com 2023-04-19 08:42:41 more