基于無線圖像傳輸的智能偵察系統研究

作者簡介：徐迎曦（1976—），女，河南息縣人，講師，碩士，研究方向：計算機控制、傳感器技術（E-mail：yingxixu@sina.com）；李傳鋒（1976—），男，河南鹿邑人，副教授，博士，研究方向：計算機控制、智能控制。

摘要：針對環境惡劣、空間狹小等人不宜進去的地方，以及在化工、火災、排雷等存在危險的地區，開發一種代替工作人員的無線圖像智能傳輸偵察系統。首先，利用偵察模塊采集到現場的圖像信息，通過無線形式將圖像傳送到手持控制終端進行顯示。其次，手持終端搭載的控制器通過三維加速度傾角傳感器和無線模塊，進行重力感應遙控偵察設備的運動方向。再次，利用超聲波模塊進行避障處理和光電開關傳感器模塊進行防掉入懸崖之中；最后，利用無線圖像傳輸模塊nRF24L01，設計了兩種無線數據傳輸方案，成功解決了無線傳輸數據丟包的問題。

關鍵詞：無線圖像傳輸；偵察系統；超聲波避障；STM32；重力感應控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言

圖像傳輸已廣泛應用于各個領域，與傳統的有線傳輸相比，圖像無線傳輸無需布線，在安裝、監控節點增加和節點的移動等方面都具有優勢。移動偵察機器人作為一種新型靈活的偵察設備，在搜索救援、反恐防毒、易燃易爆等領域有著廣泛的應用[1-4]，尤其在一些防爆、核化、污染、惡劣環境及空間狹小等人不宜進去的地方應用更為突出。針對未知環境下偵察機器人的自主導航問題，文獻[5]提出了一種基于視覺目標跟蹤的偵察機器人導航方法，能夠使偵察機器人實時準確地跟蹤視覺引導目標。文獻[6]設計具有火災識別、視頻壓縮、通信報警等功能的消防偵察機器人的通信系統。文獻[7]為了實現偵察機器人對運動目標的跟蹤，開發了一種可以調節速度的位置伺服運動控制器，并安裝于二自由度云臺上。而一些現實的偵察系統需要依靠各種傳感器，檢測到有用圖像信息通過無線傳輸的方式把信號傳送到監測中心，同時發出報警信號。因而，如何把圖像信息穩定采集并傳輸到顯示設備，以及進行合理的避障報警處理等功能的研究具有良好的現實意義。

本文著重于圖像無線傳輸功能的搭建和數據傳輸方案以及圖像識別技術的設計，并用偵察車搭載圖像采集、無線發送設備。系統核心采用STM32和STC系列微處理器，包括圖像采集模塊、無線傳輸模塊、重力感應遠程控制、超聲波避障模塊和TFT觸摸屏連接；搭載光電開關，防止偵察車掉入懸崖之中；系統能對惡劣環境進行偵察，配備照明系統通過nRF24L01無線模塊實時發送高清圖像信息，采用重力感應無線遙控設備；系統采用3.2寸TFT超大屏幕顯示圖像信息，并配備SD卡存儲關鍵的圖片信息，使得偵察工作更有實際應用意義；系統搭載高精度超聲波模塊，防止撞到障礙物損壞小車以及圖像采集設備，使得設計更加人性化，同時也保證了偵察系統的安全可靠性。

2系統主體結構設計

系統集圖像信息采集、無線傳輸顯示以及圖像識別于一體，且偵察設備采用無線控制。能采集所監控現場的圖像信息，通過無線射頻模塊將圖像發送到接收端的同時，方便做出判斷，能控制搭載著視頻采集裝置的小車，尋找需要的目標后使用無線的形式發回信息，并在彩屏上顯示采集到的圖像。手持終端采用重力感應控制，在偵察車行駛時采用超聲波和光電開關來實現小車的測距避障和防止掉入懸崖，保證圖像采集、發送設備的安全。是一種基于嵌入式開發板處理器的低成本圖像無線傳輸系統，系統的主體結構及實物圖分別如圖1、圖2所示。

系統核心采用STM32和STC15系列微處理器，STM32系列處理器是由意法半導體ST公司生產、基于ARM公司Cortex-M3內核的微控制器，專門為微控制系統、汽車控制系統、工業控制系統和無線網絡等嵌入式應用領域而設計，具有高性能、低功耗、高集成度、豐富且性能出眾的片上外設、編程復雜度低等優點。STC15系列單片機中包含中央處理器、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（RAM）、EEPROM、定時/計數器、I/O接口、UART接口和中斷系統、SPI接口、高速A/D轉換模塊、PWM（或捕捉/比較單元）以及硬件看門狗、電源監控、片內RC振蕩器等模塊等，幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，完全稱得上一個片上系統（SOC），很容易地構成典型的測控系統。

偵察系統中的直流電機采用STC15F61S2單片機的PWM進行控制；在偵察設備前后各裝一個超聲波模塊，通過查詢法測距進行避障的處理；在設備的前后各裝一個光電開關，用查詢法測距進行防止掉入懸崖之中；采用光敏檢測傳感器模塊檢測光照的強度，當光線較暗時自動打開照明設備；基于nRF24L01無線模塊，利用中斷法接收數據，保證通信的正常運行；采用液晶模塊可以實時顯示超聲波距離以及光電開關的狀態。

2.1動力驅動設計

電機和驅動芯片的選擇，通過數據測定和分析比較，確定最佳的設計方案。直流電機容易控制，只需要正負兩根線就可以使電機轉動，若使電機反向轉動，只需要反接正負極即可。直流電機可以節省單片機的輸出口，為后續工作提供更多的可操作空間，更便于電路的擴展，同時也可以節約單片機內部定時器和中斷資源。該驅動電路既可以用來驅動直流電動機，又可以驅動步進電動機以及繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。動力驅動原理如圖3所示。

該驅動電路具有過電壓和過電流保護、可單獨控制兩臺直流電機、具有PWM脈寬平滑調速、可實現正反轉信號指示、具有轉速可調及抗干擾能力強的優點。直流電機采用STC15F61S2單片機的PWM進行控制。

2.2.2超聲波測距功能實現

在偵察車避障功能實現時，需要檢測前方的路況，對比考慮了紅外對管與超聲波兩種器件。因為紅外對管價格較便宜，但是測量距離太近，當檢測到障礙物，速度過快就會撞上，從而損壞圖像采集車。采用HC-SR04超聲波模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm，本系統采用超聲波模塊實現障礙物的檢測，讓運動中的偵察車能及時減速并躲開障礙物，從而保護偵察車以及圖像采集設備的安全。模塊主要包括超聲波發射器、接收器與控制電路。工作時，保證測量周期為60ms以上，以防止發射信號對回響信號的影響。

2.3圖像采集模塊設計

系統采用OV7670圖像傳感器，它具有體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。采用帶有AL422B高速緩存的OV7670模塊，該模塊內部電路已經連接好，外部預留OV7670傳感器的各引腳接口，方便與外電路的連接。OV7670輸出的圖像數據先暫存在AL422B中，然后由STM32處理器讀取，因此AL422B的數據輸入是OV7670的輸出，AL422B的數據輸出是STM32處理器的輸入，AL422B是整個系統傳輸的關鍵，它在圖像采集電路中的連接設計最為重要，VGA圖像傳輸速度最高達到30幀/秒。

由于OV7670輸出的圖像數據流頻率較高，為了使得STM32處理器和傳感器之間的速度匹配，在OV7670和STM32F103VET6處理器之間添加AL422B高速緩存，將輸入的高速圖像數據流暫存，供STM32處理器讀出，從而實現完整一幀圖像的采集，其總體結構如圖5所示。

3手持無線智能終端設計

手持終端部分包括重力遙控和LCD液晶顯示，其中集成了SSD1298驅動控制器的LCD作為顯示模塊，nRF24L01無線作為通信模塊，重力感應作為控制模塊，重點對無線通信部分進行設計，圖像數據為無線傳輸方式。重力感應系統控制小車的前進，按鍵控制重力感應系統是否開啟，這樣就能避免重力感應的影響。手持終端部分結構圖如圖7所示。

3.1三維加速度傳感器

系統應用重力感應技術，通過對重力的判斷，控制芯片自動的識別，在方便使用的同時，還對其重力感應進行了優化，在使用的時候才打開，這樣，就減少重力對小車的影響。設計是向后傾斜時候，小車就向前移動，當向前傾斜的時候就向后移動，當向左傾斜的時候就向左拐彎，當向右傾斜的時候就向右拐彎。

MMA845是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器。這款加速度傳感器具有豐富嵌入式功能，帶有靈活的用戶可編程選項，可以配置多達兩個中斷引腳。嵌入式中斷功能可以節省整體功耗，解除主處理器不斷輪詢數據的負擔。

3.2TFT觸摸屏模塊

彩屏支持240RGBx320點分辨率，支持262，144色的系統單芯片包括720通道的原驅動，320通道的門驅動器，172800字節的圖形數據和電源電路的RAM驅動。LCD由驅動IC SSD1298控制，SSD1298內有172800Byte的圖形顯示數據存儲器（GDDRAM），在LCD液晶屏上顯示數據時，通過LCM和處理器的接口把像素值寫入SSD1298的GDDRAM中，其余工作由SSD1298完成與處理器無關。LCM和STM32處理器的連接如圖8所示。

4圖像信息無線傳輸設計

在選用無線模塊時有nRF24L01無線和315無線，考慮到作品需要傳輸大量的圖像信息，且傳輸圖像的時候容易丟包，而圖像在傳輸過程中有一個數據包的丟失都會導致整個圖像的傳輸失敗，因此采用的比較穩定的傳輸模式，無線nRF24L01則成為了首選。

在NRF24L01無線模塊通信上，設計了兩種無線數據傳輸方案，成功解決了無線傳輸數據丟包的問題。通過對兩種方案進行了論證，設計出適用于本圖像無線傳輸系統的通信程序，最終實現了數據的無丟失發送與接收，并對無線傳輸模塊進行了接收數據的正確性和靜態數據的傳輸速度測試。

基于NRF24L01模塊，采用了簡單的圖像壓縮和解壓縮技術，設計并制作了圖像無線傳輸系統的原理系統，對系統進行了整體性能測試，得出了系統整體傳輸速率。

要驅動LCD首先要對LCD進行配置，包括FSMC的配置，引腳配置和相應的寄存器的配置，這些配置都在初始化中完成，然后就可以對LCD進行操作，程序流程圖如圖9所示。

在視頻顯示部分選擇了可以存儲的觸控彩屏，從而可以更好的收集周邊的信息。以便實現圖像數據的記錄。靜態圖像顯示的結果如圖10所示。

6結束語

結合計算機控制、無線圖像傳輸和傳感器檢測技術，開發了一種以嵌入式處理器為核心的低成本無線圖像傳輸智能偵察系統。系統集圖像采集、無線傳輸顯示以及圖像識別于一體，能采集所監控現場的圖像信息，并通過無線射頻模塊將圖像信息發送到接收端的同時，方便監控人員做出判斷。能夠利用手持終端進行控制搭載著視頻采集裝置的偵察車，偵察到需要的目標對象利用無線的方式發回信息，并在彩屏上顯示采集到的圖像。通過nRF24L01無線模塊通信，利用重力感應來控制偵察車的運行軌跡，通過車載攝像頭來拍攝偵察車周圍的圖像可以進行研究。以后將采用基于RFID和WIFI雙重無線傳輸設計，以及圖像識別技術，將采集到的圖像進行實時識別，在觸摸屏上自動標示目標物體，同時搭載機械手臂對目標進行故障處理，將會應用于一些特殊的場所完成偵察排障任務。

參考文獻

[1]Baronov Dimitar， Baillieul John. A Motion Description Language for Robotic Reconnaissance of Unknown Fields[J]. European Journal of Control， 2011， 17（5）：515-525.

[2]Kim JaeSung， Kim ByungKook. Timeefficient trajectory planning algorithms for multiple mobile robots in nuclear/chemical reconnaissance system[J]. Journal of Institute of Control， Robotics and Systems， 2009， 15（10）：1047-1055.

[3]Schempf Hagen. Self-rappelling robot system for inspection and reconnaissance in search and rescue applications[J]. Advanced Robotics， 2009， 23（9）：1025-1056.

[4]Obermeyer Karl J.， Oberlin Paul， Darbha Swaroop. Sampling-based path planning for a visual reconnaissance unmanned air vehicle[J]. Journal of Guidance， Control， and Dynamics. 2012， 35（2）：619-631.

[5]包加桐，宋愛國，唐鴻儒，等. 基于視覺目標跟蹤的偵察機器人導航方法[J]. 東南大學學報：自然科學版， 2012， 42（3）：399-405.

[6]張慶海，倪瑛. 消防偵察機器人通信控制系統的設計[J].消防科學與技術， 2011，30 （8）：715-717.

[7]陳殿生，白峰，李鵬. 偵察機器人目標跟蹤系統的運動控制器開發[J].機器人技術與應用，2008，21（6）：39-42.