基于ARM的小型湖面漂浮物清掃機器人設計

劉溯奇，蔣正鋒，陸偉艷

(廣西民族師范學院，崇左 532200)

1 引言

近年來，機器人技術的應用開始從制造業向非制造領域擴展，比如宇宙探索、海底探查、管道鋪設和檢修、醫療、軍事、服務、娛樂等方面。從而基于非結構環境、極限環境下的先進機器人技術及應用研究已成為機器人技術研究和發展的主要方向。機器人技術的發展從來離不開其他技術的發展，計算機技術就是其中之一，而嵌入式系統就是計算機技術發展最快和應用最廣泛的技術之一，人們稱之為后PC時代。近年來，由于嵌入式處理器的高度發展，嵌入式系統在體積、價格、功耗、性能、穩定性等方面有明顯的突出優勢，因此，機器人無論從控制系統的結構還是機器人的智能程度等方面都得到了很大提高。所以，研究機器人及其控制系統，嵌入式技術發揮了越來越重要的作用［1］。

隨著我國社會經濟和城市建設的迅速發展，在人們物質生活水平不斷提高的同時，環境也遭受了越來越多的污染，人類賴以生存的水資源也不例外。水面污染對人類的水源構成很大的威脅，湖泊尤其是旅游勝地和市內人工湖泊，更是無法逃避漂浮物污染的厄運，舉目可見各種日常消費品的包裝物在湖面上漂浮。污染的加劇需要根治，但是，水面污染的治理是一項長期艱難的任務，是全人類必須面對的共同問題。用人工清理水面漂浮物只是權宜之計，有些危險水域人工是無法勝任的。因此，設計了基于嵌入式技術的小型湖面漂浮物清掃機器人，用于完成這一工作。實驗結果表明該系統操作簡單、安全平穩、經濟環保、適應性和實用性強，具有較深遠的理論意義和應用推廣價值［2］。

2 清掃機器人系統總體方案設計

小型湖面漂浮物清掃機器人系統總體設計方案如圖1 所示，該方案總體來說，可分為兩部分:一部分是清掃機器人結構。它由船體、尾部的回收拖網、在水面上行走的一對驅動輪以及對應的一對直流電機構成機器人的本體結構，并在本體結構上搭載了硬件控制系統(ARM11)和多種傳感器等相關設備，如USB 攝像頭、電機驅動控制板、WiFi 模塊等。第二部分是以無線路由器為中心節點構成的遠程控制與監控網絡。該部分主要由帶寬較大、傳輸速率較高和傳輸距離達500m 之遠的無線路由器，具有無線網卡、安裝有監控軟件、便于攜帶的遠程控制用筆記本電腦，一端通過有線方式連接到無線路由器的上行端口、另一端通過其他途徑連接到Internet的有線路由器，多臺接入Internet的遠程監控計算機所組成。其目的是通過有線和無線傳輸通道實現對清掃機器人的遠程控制，并獲取機器人采集到的實時視頻圖像，以便進一步觀察和決策，最終完成湖面漂浮物垃圾的清理工作。

圖1 系統總體方案設計圖

3 清掃機器人控制系統的硬件電路設計

清掃機器人控制系統主要完成遠程控制計算機發來的命令識別，并做出相應的動作，實時采集機器人周圍的視頻圖像，然后通過WiFi 信道傳輸給遠程控制機等。對系統進行功能模塊化劃分，本系統可劃分為以下六大模塊:視頻圖像采集模塊(USB 攝像頭);人機交互模塊;USB 接口的WiFi 模塊;程序下載模塊;電機驅動模塊和電源管理模塊。各模塊之間的關系如圖2 所示。

3.1 核心控制板和視頻采集模塊

核心控制板模塊采用FriendlyARM 公司的Tiny6410開發板［3］，該開發板外圍接口比較完備，引出了很多I/O、數據和地址總線，適合二次開發。

視頻采集模塊采用的是包含中星微公司ZC0301P 芯片的USB 攝像頭，ZC0301P 芯片內部集成了CMOS的圖像感光芯片、JPEG 硬件壓縮引擎和USB 設備控制接口，可通過它采集得到壓縮了的MJPEG 格式的視頻流數據，并可由USB 接口傳輸到內存進行處理。

圖2 硬件控制系統(ARM11)結構示意圖

3.2 電源模塊和WiFi 模塊

系統需要兩種電源，分別是5V，12V。5V 電源用于核心板供電，12V 電源主要對電機驅動模塊供電。為了避免引起干擾，需要設計電源模塊，因此選用了開關電源芯片LM2576 作為電壓變換核心器件，它能承受最大達3A的電流輸出。整個機器人所需的能量由12V 電瓶提供。

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無線網卡TL－WN321G+，采用Ralink 公司的RT73 芯片，無線傳輸速率高達54Mbps，傳輸距離可達100～300m，能夠滿足控制系統對遙控距離的要求。

3.3 程序下載模塊和電機驅動模塊

程序下載模塊主要完成啟動程序和應用程序的下載，本系統提供兩種下載方式，并口下載和串口下載。并口下載通過并口線與JTAG 調試接口連接完成PC 與S3C6410的通訊，串口下載通過RS232 串口線連接電路板上COM 口與PC 進行通訊［4］。

電機驅動模塊是機器人的重要組成部分，它和電機、驅動輪組成機器人的執行機構，完成機器人的向前、向后、轉向等運動動作。

由于直流電機具有良好的線性調速特性，簡單的控制功能，較高的效率，優異的動態特性等，因此廣泛應用在控制系統中。本設計采用的是1 片L298N電機驅動芯片驅動2個直流電機，采用PWM 調速原理控制直流電機達到控制機器人的運動動作。

L298N 可驅動兩個直流電機，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間分別接2個電機。IN1 與IN2，IN3與IN4 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB 接控制使能端，控制電機的停轉［5］。為了消除電機運轉對硬件控制系統(ARM11)的干擾，從控制板的控制引腳出來的信號，經過1 片TLP521－4的4 路光電耦合器信號隔離，通過脈寬調制控制光電耦合器的開關達到控制L298N 驅動芯片，并達到控制電機按照所需的速度運轉的目的。其電機驅動電路如圖3 所示。

圖3 電機驅動模塊原理圖

4 軟件設計

軟件設計主要分為兩部分:一是遠程控制端應用軟件的開發，主要工作是發送控制命令，遠程控制清掃機器人的前進、后退、轉向和作業工作等動作，并控制清掃機器人開啟USB 攝像頭采集機器人周圍水域的視頻信息，通過WiFi 無線信道傳回到控制端并顯示。二是清掃機器人控制系統軟件的開發，主要包括操作系統移植、WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅動移植、視頻采集程序的實現、視頻服務器的構建、電機模塊驅動程序設計和系統應用軟件設計等工作。

4.1 操作系統移植

操作系統移植包括引導加載程序Bootloader、內核裁剪、配置與編譯、根文件系統的制作與移植等。引導加載程序負責上電時初始化目標板，裝載內核到內存，把引導參數傳遞給內核，然后執行內核。在內核裁剪和配置時，需要保證系統的功能，然后保證

支持硬件電路正常工作。

4.2 WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅動程序移植

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無線網卡TL－WN321G+，Linux－2.6.36 內核提供了對該模塊的支持，因此，配置內核的時候，選上該模塊驅動即可。

視頻采集模塊采用的是USB 攝像頭，用于完成清掃機器人周邊水域的視頻采集，傳回到遠程控制端后，可人工判別湖面漂浮物的所在位置。由于Linux－2.6.36 內核已包含萬能USB 攝像頭驅動，所以在配置內核的時候，選上該模塊驅動即可。

4.3 視頻采集程序的實現

Linux 下的視頻采集是基于Video4Linux(V4L)或Video4Linux2(V4L2)提供的接口函數來實現的。V4L 或V4L2是Linux 中關于視頻設備的內核，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數。在應用程序中可利用V4L 或V4L2 結合I/O 控制函數如open、read、write、close、內存映射等來操作攝像頭進行視頻數據采集，隨后可進行數據壓縮。

4.4 視頻服務器的構建

視頻采集完成之后，通過網絡傳輸到遠程控制端計算機的瀏覽器，遠程控制端就可以通過瀏覽器實時了解機器人周圍水域情況。為了完成該功能，需要實現嵌入式web 服務器構建和視頻服務器的設計。Web 服務器建立，采用的是thttpd 服務器，它是多任務的http 服務器，支持認證和CGI 程序，對其進行配置和編譯，并集成到Linux 操作系統中。在此基礎上，開發相應的視頻服務端軟件和應用軟件。

4.5 電機模塊驅動程序設計

Linux 操作系統下驅動程序的編寫有固定的模式，編寫驅動程序的主要工作就是編寫子函數，如open、read、write、ioctl 等，并填充file_operations的各個域。編寫好之后，可以以模塊的形式或直接編譯進內核的方式，使Linux 內核支持對電機模塊的控制。

5 結束語

本設計采用WiFi 技術，以無線路由器為組網中心節點，構建了一個局域網絡，將小型湖面漂浮物清掃機器人和無線遠程控制PC 機等接入網絡中。通過無線遠程控制PC 機或遠程監控計算機的控制界面，可向機器人發出采集視頻圖像的指令，并可通過WiFi 信道傳回來的視頻圖像，判斷漂浮物的方向和所在位置，然后發出行走指令控制機器人運動到漂浮物處，收集湖面垃圾。經不同湖面的多次實驗表明，該系統傳輸信息穩定可靠，機器人運行平穩，收集垃圾效率高，通過采用大功率的無線路由器，其最遠遙控距離可達500 米左右。因此，該機器人及其構建的系統具有較高的應用價值。

［1］郝衛東，陳亮，曹德新.基于嵌入式技術的智能機器人系統研究［J］.電子技術應用，2009(2):30－34.

［2］張蕾蕾.湖面清掃智能機器人的控制［D］.沈陽:沈陽理工大學，2008.3.

［3］廣州友善之臂計算機科技有限公司.Mini6410 用戶手冊［EB/OL］.http://www.arm9.net/mini6410－ um.asp/ Mini6410 用戶手冊.pdf，2010.

［4］劉溯奇，郝衛東，林添成，等.基于嵌入式的視覺巡線機器人系統設計［J］.工程設計學報，2008，15(2):94－96.

［5］S.T.Corp.L298N UserManual［EB/OL］.http://www.st.com/internet/analog/product/ 63147.jsp/L298N.pdf，2000.