北京聯(lián)合大學(xué) 李宏偉 郭松庭 張翠霞

WIFI尋跡監(jiān)控小車設(shè)計(jì)

北京聯(lián)合大學(xué) 李宏偉 郭松庭 張翠霞

機(jī)器人技術(shù)已成為現(xiàn)代信息社會一個(gè)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，其在工業(yè)、商業(yè)、教育等方面作用日益凸顯。本設(shè)計(jì)使用了紅外傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合的方案完成了尋跡避障功能的實(shí)現(xiàn)，克服了紅外傳感器信號抖動(dòng)明顯以及超聲波信號檢測時(shí)間較長的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，融合了WIFI無線通信技術(shù)進(jìn)行視頻傳輸以及信號控制，并且增加了履帶傳動(dòng)以及云臺監(jiān)控，保證小車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的同時(shí)可進(jìn)行更廣闊的監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)了集尋跡避障、遠(yuǎn)程視頻圖像傳輸功能為一體的尋跡小車。并且加入了履帶防止了小車的側(cè)翻和打滑，加入了云臺增加了監(jiān)控視角的廣度。

尋跡避障；WIFI無線通信技術(shù)；圖像傳輸；云臺

1.總體框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)目的為研究一套能夠連接網(wǎng)絡(luò)，具備無線攝像并且能通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)控制的云臺尋跡小車控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)方面的直接應(yīng)用。該機(jī)器人采用分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，以ATmega328為核心的控制芯片構(gòu)成主控系統(tǒng)，其間包含了電機(jī)控制、云臺轉(zhuǎn)向、尋跡避障等環(huán)節(jié)構(gòu)成了下位機(jī)的控制系統(tǒng)。并且在此基礎(chǔ)上增加了WIFI芯片AR9331與上位機(jī)進(jìn)行了WIFI通信，克服了視屏傳輸大量數(shù)據(jù)的問題。并且在輪子側(cè)加入了履帶，有效解決了使用車輪帶動(dòng)的小車一系列容易打滑、側(cè)翻的問題。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境所限，本文僅對此系統(tǒng)進(jìn)行簡單說明以及設(shè)計(jì)，并且給出一個(gè)簡單模型。其系統(tǒng)整體框架圖如圖1.1所示。

圖1.1 系統(tǒng)整體框架

2.下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)控制

由于增加了履帶控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)在于控制方便，通過差速控制便可以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向以及原地旋轉(zhuǎn)等功能，但需要注意的問題是電機(jī)負(fù)荷較大，當(dāng)所需扭矩過大時(shí)容易形成堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象使電流過大燒毀電機(jī)。因此因選擇大扭矩的電機(jī)以及功率較大的電池對小車進(jìn)行供電。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面選擇L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其硬件原理圖如圖2.1所示：

圖2.1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

通過改變其驅(qū)動(dòng)芯片輸入引腳電平的高低狀態(tài)，對電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的的控制，其電機(jī)狀態(tài)如表2.1所示：

表2.1 電機(jī)狀態(tài)

通過對兩路電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，其前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作便可以進(jìn)行控制，要注意的是使用該種控制方式需要對動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行調(diào)試，特別對于左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度時(shí)其狀態(tài)持續(xù)時(shí)間也要根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。小車動(dòng)作狀態(tài)如表2.2所示：

表2.2 小車動(dòng)作狀態(tài)

2.2 云臺控制

本設(shè)計(jì)在視頻攝像頭上添加了一個(gè)包含兩個(gè)180度舵機(jī)的云臺對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，通過主控芯片輸出PWM波對舵機(jī)進(jìn)行角度控制，從而可形成攝像頭的抬頭、低頭、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作，能對前方180度的三維區(qū)域進(jìn)行攝像監(jiān)控。其云臺實(shí)物如圖2.2所示：

圖2.2 云臺實(shí)物

2.3 尋跡避障

尋跡避障方案采用紅外傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其傳感器接收到信號時(shí)需經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大輸入到單片機(jī)中進(jìn)行檢測，由于其信號抖動(dòng)較嚴(yán)重，在其內(nèi)部要進(jìn)行消除抖動(dòng)的處理，具體思路為檢測兩此20ms內(nèi)接收到的信號是否為同一信號，若是則判斷為觸發(fā)并進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)向處理，否則為抖動(dòng)不進(jìn)行轉(zhuǎn)向。其電路原理圖2.3所示：

圖2.3 紅外傳感器電路

避障采用了超聲波傳感器進(jìn)行障礙物檢測。超聲波傳感器與普通紅外傳感器相比有檢測信號準(zhǔn)確、可檢測距離遠(yuǎn)近等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)在于其檢測時(shí)間較紅外傳感器長，因此選擇作為障礙檢測傳感器，可以避免小車碰撞到障礙物而損壞小車或是損壞其他物件。其硬件原理圖如圖2.4所示。

在下位機(jī)小車性能有冗余的情況下，還可以加入其他擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展，如GPS傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鞯?，把小車作為載體根據(jù)不同需求實(shí)現(xiàn)不同特定的功能。由于篇幅所限不一一贅述。

圖2.4 超聲波傳感器電路

2.4 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

完成了以上硬件設(shè)計(jì)后，可進(jìn)行下位機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)，與上位機(jī)通信采用串口通信方式，并通過相應(yīng)通信編碼建立相其流程圖如圖2.5所示：

圖2.5 下位機(jī)工作流程圖

3.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于Android4.4開發(fā)了手機(jī)上的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要技術(shù)為通信接口調(diào)用、視頻圖像處理等。視頻圖像處理思路為接收每一幅圖片并存儲為二維數(shù)組，根據(jù)時(shí)間軸播放，形成連續(xù)的視頻。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方面包括API調(diào)用、網(wǎng)絡(luò)通信接口實(shí)現(xiàn)、消息隊(duì)列處理、窗體按鍵設(shè)計(jì)等方面，過于繁多在此不一一描述。其程序流程圖如圖3.1所示。

其上位機(jī)界面如圖3.2所示：

圖3.2 上位機(jī)界面

4.調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)將智能小車的自動(dòng)尋跡與WIFI通信進(jìn)行了融合，形成了一套可實(shí)現(xiàn)尋跡、避障并且通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的整體系統(tǒng)，包含了信號識別、自動(dòng)控制、無線通信、圖像處理等技術(shù)。并且預(yù)留了擴(kuò)展模塊，可將其擴(kuò)展升級應(yīng)用于野外探測、公司安防、科學(xué)研究、機(jī)器人比賽等場合，具有良好的實(shí)用性。

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張翠霞，指導(dǎo)老師。

鳴謝：該項(xiàng)目的研究成果基于北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，項(xiàng)目編號：201611417SJ033。