郭俊杰，朱洪應(yīng)，蔡超敏，黃培鑫，陳如麒

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510642)

隨著各種科學(xué)技術(shù)的不斷提高，自動(dòng)化技術(shù)的不斷加深，智能遙控技術(shù)將跨領(lǐng)域應(yīng)用，并深入普及。機(jī)器人小車的研究是移動(dòng)機(jī)器人分支的一部分，是一項(xiàng)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的綜合系統(tǒng)。它的主要功能是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別路徑，控制車速及操縱轉(zhuǎn)向等。機(jī)器人小車是一個(gè)借助人工遙控達(dá)到環(huán)境感知、規(guī)劃決策及任務(wù)輔助的綜合體。研究并設(shè)計(jì)開發(fā)出基于單片機(jī)的機(jī)器人小車不僅符合科技發(fā)展潮流即，同時(shí)也是提高實(shí)踐者綜合技術(shù)的途徑之一，對(duì)各種社會(huì)領(lǐng)域具有廣泛遷移的價(jià)值，如用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人以及娛樂(lè)機(jī)器人等等。

小車采用STM32單片機(jī)作為主制器，通過(guò)一款Wifi射頻模塊RT5350實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻畫面的傳輸，整個(gè)項(xiàng)目涵蓋的知識(shí)面廣，包括單片機(jī)編程技術(shù)，OpenWrt路由器系統(tǒng)以及Windows上位機(jī)軟件開發(fā)等等不同技術(shù)領(lǐng)域。下面分為三個(gè)層面來(lái)介紹視頻小車的實(shí)現(xiàn)方法:(1)底層驅(qū)動(dòng)層:以STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的驅(qū)動(dòng)控制;(2)中層傳輸層:借助RT5350路由器平臺(tái)傳輸控制命令以及視頻流;(3)頂層控制層:在Windows平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制

1 底層驅(qū)動(dòng)層

小車整體是實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)控制小車電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和控制攝像頭的舵機(jī)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。由于STM32單片機(jī)提供的電流非常微小，不足以讓小車動(dòng)起來(lái)，所以需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，這里使用了L298N模塊驅(qū)動(dòng)小車的直流電機(jī)。

1．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

小車左輪右輪上分別配有兩個(gè)電機(jī)，左輪電機(jī)A與右輪電機(jī)B的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止決定著小車的運(yùn)動(dòng)模式。而STM32單片機(jī)4根電機(jī)控制信號(hào)線連接著 L298N的 IN1～I(xiàn)N4，另外兩根PWM調(diào)速信號(hào)線連著ENA和ENB。電路圖詳情見圖1。

輸入信號(hào)線IN1和IN2控制電機(jī)A的運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)A接OUT1和OUT2。同理，IN3和IN4合起來(lái)控制了電機(jī)B的運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)小車的對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式詳情見表1。

圖1 電路原理圖

表1 小車的對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式

1．2 電機(jī)調(diào)速原理

如上圖1中L298N上還有有ENA和ENB兩個(gè)信號(hào)輸入端口，這兩個(gè)端口的作用是控制信號(hào)的使能，低電平有效。只有當(dāng)信號(hào)線拉低時(shí)候，L298N才會(huì)遵循表1中列出的運(yùn)動(dòng)模式。

由于L298N有控制使能的信號(hào)線，則可以通過(guò)控制ENA和ENB的信號(hào)來(lái)進(jìn)行PWM調(diào)速。原理是開關(guān)管在一個(gè)周期T的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間為t，那么電機(jī)兩端的平均電壓aV。其中，a=t/T(占空比)，V是電源電壓。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)兩端的電壓成正比，而電動(dòng)機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與PWM信號(hào)的占空比成比例，信號(hào)的占空比越大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得越快。在硬件電路上將STM32單片機(jī)的PA0～PA3端口分別接到L298N的IN1～I(xiàn)N4上，通過(guò)改變PA0～PA3口的高低電平控制小車的行駛方向，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)線ENA和ENB上的PWM占空比來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)速度。

1．3 云臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理

云臺(tái)控制攝像頭的運(yùn)動(dòng)，這里采用了MG995舵機(jī)云臺(tái)。二自由度的MG995舵機(jī)云臺(tái)是一款扭矩大、性價(jià)比高的小型云臺(tái)，可以在水平方向和垂直方向做180°的二自由度運(yùn)動(dòng)。安裝上攝像頭可以實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控、圖像識(shí)別和定位追蹤等功能;加裝超聲波測(cè)距傳感器或紅外傳感器可以組合成一體化探測(cè)裝置，使機(jī)器人能感測(cè)周圍的障礙物，從而可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)避障功能。

舵機(jī)云臺(tái)驅(qū)動(dòng)原理也是PWM調(diào)速信號(hào)控制，舵機(jī)最早用于船舶上實(shí)現(xiàn)特定的轉(zhuǎn)向功能，由于通過(guò)程序可以控制其連續(xù)轉(zhuǎn)角，因而被廣泛應(yīng)用在智能小車和機(jī)器人等關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)上。舵機(jī)的控制信號(hào)周期為20 ms的脈寬調(diào)制信號(hào)，脈沖寬度0．5～1．5 ms相對(duì)應(yīng)的舵盤位置為0 ～180°，這個(gè)過(guò)程呈線性變化。給舵機(jī)提供周期為20 ms寬度在0．5～1．5 ms中的某個(gè)的脈寬信號(hào)，舵機(jī)的輸出軸就會(huì)保持相對(duì)應(yīng)角度。無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，輸出軸的位置不會(huì)改變。除非提供一個(gè)新的脈寬信號(hào)，舵機(jī)才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。

在STM32單片機(jī)上給出兩條信號(hào)線分別連接水平方向和垂直方向上的兩個(gè)舵機(jī)，通過(guò)調(diào)制出周期為20 ms寬度在0．5～1．5 ms的 PWM 信號(hào)即可控制舵機(jī)在兩個(gè)方向上的角度，即可控制云臺(tái)攝像機(jī)的位置。初始化時(shí)將脈寬調(diào)制到1．5 ms，使舵機(jī)在90度的中間位置，程序正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)上位機(jī)的指令來(lái)調(diào)整脈寬的寬度來(lái)控制舵機(jī)相應(yīng)的位置。

1．4 小車實(shí)物展示

實(shí)物見圖2。

圖2 視頻小車實(shí)物圖

2 中層傳輸層

傳輸層是完成對(duì)控制命令的傳輸，是連接小車和電腦的橋梁，同時(shí)也負(fù)責(zé)視頻畫面的采集和編碼，這里用Ralink公司的一款RT5350路由器芯片完成工作。RT5350平臺(tái)是基于 MISP的Linux系統(tǒng)，和我們的 PC配置類似，有必要的CPU、內(nèi)存和硬盤。CPU是MIPS架構(gòu)360M主頻RT5350芯片，內(nèi)存則是32MB SDRAM芯片，硬盤是8MB的FLASH閃存，采用的是基于Linux的OpenWrt路由器系統(tǒng)。內(nèi)核里安裝了 UVC的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，并且運(yùn)行了Mjpg-Streamer視頻傳輸服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)視頻畫面的傳輸。控制命令的傳輸是通過(guò)Ser2net一款I(lǐng)P轉(zhuǎn)串口的軟件，實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議與單片機(jī)命令的對(duì)接。

2．1 RT5350 芯片

RT5350是RaLink公司2010年推出的一款單芯片 IEEE 802．11n 1×1 MIMO WLAN SoC，RT5350內(nèi)部集成了基帶處理器和射頻功率放大器，具有高性能的MIPS 24Kc CPU內(nèi)核，具有五端口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)。集成 MIPS 24Kc 360MHz處理器，支持 16-bit最高 64MB的SDRAM 內(nèi)存，支持 USB 2．0 Host/Device，接口具有 GPIO，SPI，I2C，I2S，PCM，UART 及 JTAG 接口。

RT5350的特征是性價(jià)比高，成本優(yōu)勢(shì)大，因而迅速占領(lǐng)了很大部分的低端路由器市場(chǎng)。由于支持USB2．0的擴(kuò)展，配合3G網(wǎng)卡能擴(kuò)展成3G路由器，配合USB攝像頭能擴(kuò)展成Wifi攝像機(jī)，配合USB聲卡能擴(kuò)展成Wifi音響，還可以用來(lái)做Wifi智能插座。這里，正是運(yùn)用了配合USB攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻畫面的傳輸。

2．2 OpenWrt 系統(tǒng)

OpenWrt是一個(gè)嵌入式 Linux發(fā)行版，是三大主流路由器系統(tǒng)之一。很多智能路由器都采用了OpenWrt系統(tǒng)，能在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)很多第三方功能，如能實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)認(rèn)證登錄功能，能支持SAMBA服務(wù)器，能支持離線下載等等功能。

由于RT5350的普及性，OpenWrt系統(tǒng)已經(jīng)全面支持RT5350系統(tǒng)。大致編譯方法:在Ubuntu系統(tǒng)上下載OpenWrt的源碼，安裝相應(yīng)的交叉編譯器，配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)及軟件即可編譯出所需要的OpenWrt系統(tǒng)。有了操作系統(tǒng)，接下來(lái)安裝所需要的功能軟件。主要安裝的是MJPG-Streamer和Ser2net軟件，前者負(fù)責(zé)視頻傳輸，后者負(fù)責(zé)命令傳輸。

2．3 MJPG-streamer

MJPG-streamer是一款MJPG視頻流服務(wù)器，其中”input-uvc．so”輸入插件是Linux上的通用攝像頭插件，”ouput_http．so”輸出插件是網(wǎng)站服務(wù)器插件，這兩款插件配合使用，將USB攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)復(fù)制到了Http服務(wù)器中，用戶通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器即可獲得USB攝像頭上的MJPG視頻流，再通過(guò)相應(yīng)的解碼即可獲得視頻圖像。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，MJPG-streamer正常運(yùn)行，就可以在PC通過(guò)Http協(xié)議訪問(wèn)相應(yīng)的視頻地址獲得MJPG視頻流數(shù)據(jù)，火狐瀏覽器就可以播放MJPG視頻流，也可以參考MJPG視頻流協(xié)議寫出解碼程序。

2．4 Ser2net

Ser2net是運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上一款I(lǐng)P轉(zhuǎn)串口軟件。由于電腦上通信協(xié)議是 IP協(xié)議，而STM32單片機(jī)資源有限使用了串口通信協(xié)議，Ser2net正是溝通這兩種協(xié)議間的橋梁，有了它電腦就能通過(guò)IP編程對(duì)小車控制了。

大致原理是RT5350平臺(tái)開啟一個(gè)TCP服務(wù)端口比如2001，當(dāng)電腦端連接上此端口后，所有傳向2001端口的IP流數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)帶RT5350的串口上，所以發(fā)向RT5350串口的數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程 IP終端。而 RT5350的串口連接上STM32單片機(jī)串口，所以Ser2net軟件實(shí)現(xiàn)了IP協(xié)議到小車的數(shù)據(jù)通路。

3 頂層控制層

3．1 通信協(xié)議定義

在STM32單片機(jī)里定義了控制協(xié)議，這個(gè)協(xié)議自己定義，比如發(fā)送數(shù)據(jù)包 0xff，0xff，0x01，0x01代表前進(jìn)。前面兩位用于標(biāo)識(shí)頭碼，第三位標(biāo)識(shí)對(duì)象，第四位標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)值。

表2 控制小車的通信協(xié)議

3．2 MJPG視頻解碼

小車上的RT5350模塊已經(jīng)提供了基于HTTP協(xié)議的MJPG視頻流，在上位機(jī)軟件端需要編寫軟件解碼視頻流即可獲得小車視頻畫面。這里簡(jiǎn)單介紹一下在VS2010中C#的解碼思路:

第一步:Http請(qǐng)求視頻地址

第二步:獲取視頻流

第三步:找到JPEG頭和尾

第四步:將獲得的JPEG圖像顯示出來(lái)

3．3 控制小車電腦程序

小車的控制方法是創(chuàng)建一個(gè)TCP連接至小車的2001端口，向這個(gè)端口直接發(fā)送控制命令，參考表1的通信協(xié)議即可控制小車的運(yùn)動(dòng)。這里簡(jiǎn)單介紹一下在VS2010中C#的編程思路:

第一步:創(chuàng)建一個(gè)套接字

第二步:連接上小車的IP地址和控制端口

第三步:繪出控制相應(yīng)的按鈕和按鍵

第四步:編寫響應(yīng)按鈕和按鍵的事件，通過(guò)已連接的套接字發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制命令

3．4 主界面

主界面見圖4。

圖4 C#編寫的小車上位機(jī)軟件

［1］ 李婕，基于STM32的無(wú)線視頻監(jiān)控智能小車設(shè)計(jì)［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2014:11-19．

［2］ 陶福壽．基于STM32的無(wú)線視頻監(jiān)控機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．昆明:云南大學(xué)，2013:23-27．

［3］ 周賽賽．基于Wifi的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］．西安:西安工業(yè)大學(xué)，2014:79-85．

［4］ 周柱．基于STM32的智能小車研究［D］．四川:西南交通大學(xué)，2011:92-97．

［5］ 王杰．基于STM32的多攝像頭無(wú)線視頻警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］．重慶:重慶大學(xué)，2013:32-37．