面向目標搜索的輪式機器人的設計與研究

嚴錫君，趙光辰

面向目標搜索的輪式機器人的設計與研究

嚴錫君，趙光辰

應用嵌入式技術、無線傳輸技術和圖像處理技術，設計搜救機器人，為防災救災提供技術服務。采用ARM 11微控制器LM3S9B96設計機器人和手持終端，機器人通過所攜帶的攝像頭采集圖像并進行壓縮后，通過wifi傳輸給手持終端；手持終端用TFT液晶屏顯示所接收到的遠程圖像信息，并通過用戶界面通過wifi 向機器人發送控制命令；機器人根據命令控制自身的運動以及攝像頭的轉動。實驗結果表明，采集的圖像清晰、命令執行及時可靠，能夠較好地完成目標探測、搜索等任務。

機器人；目標搜索；無線通信；圖像采集

0 引言

近年來大規模的災難、事故頻發，對人類的生命和財產造成極大危害，及時、有效地投入防災救災可大大降低災害損失，研究高效的施救設備具有特別重要的意義。隨著科技的進步，新型技術成為救援的制勝法寶，尤其是機器人技術[1]。因具有靈活、重量輕、以及可深入危險區域工作等優勢，搜救機器人在災后救援工作中起著越來越重要的作用[2]，此類機器人需要具備穩定的運動控制、采集多種環境信息、以及無線控制等功能[3,4]。可見，搜救機器人需完成的功能多、涉及技術廣、環境狀態不確定，因此存在設計難、可擴展性差、缺少豐富的通訊能力、研究成本高等問題[5]。

針對以上問題，本文根據機器人系統的可擴展、可裁剪、以及互操作等特性，采用模塊化方法設計并實現一個機器人原型系統，通過無線通信實現機器人控制及數據傳輸，以完成目標探測、搜索以及安全監控等功能。

1 輪式機器人系統設計

1.1 硬件體系結構

搜救機器人須具備一定的移動速度、低能耗、運動穩定性、適應多樣的地理環境，以及有爬坡、越障能力。其中，輪式移動載體的結構簡單，可省去復雜的機械設計，且運動速度快，可減少目標搜索時間。為此，采用四輪驅動方式，增強機器人的移動能力。

搜救機器人包括手持控制終端和輪式機器人兩部分，兩者之間通過wifi無線通信方式傳輸圖像和控制信息；機器人通過所攜帶的攝像頭采集圖像并進行壓縮后，通過wifi傳輸給手持終端；手持終端用TFT液晶屏顯示所接收到的遠程圖像信息，并以此通過用戶界面通過wifi 向履帶式機器人發送控制命令信息，機器人以此命令提供電機驅動電路，控制直流電機的轉動、啟停，實現機器人的前進、后退、左轉、右轉等運動，以及攝像頭180°的轉動、以調整拍攝角度[6]。機器人主控制板以ARM Cotex-M3內核的LM3S9B96微控制器為核心，主要完成無線數據接收、圖像數據處理電機控制信號輸出等功能。機器人硬件體系結構如圖1所示：

圖1 機器人硬件體系結構

1.1 目標搜索功能模型

在目標探測、搜索過程中，涉及的控制操作較多，各功能模塊間的調用關系較復雜。為此，采用的UML進行模型分析，完成應用程序功能模型設計，建立系統操作用例圖(Use-Case)。系統被抽象為操作員、機器人系統和手持終端控制臺3部分，操作員通過操縱手持終端控制臺與輪式機器人進行對話。軟件的應用程序功能模型如圖2所示：

圖2 應用程序功能模型

機器人系統主要完成以下功能：

1）命令接收：接收控制臺的指令。指令分為基本指令和電機控制命令。前者控制電機驅動板輸出；后者控制機器人基本行為，例如開始采集、停止采集等。

2）數據發送：將采集到的數據通過無線通信模塊發送給PC上位機控制臺。

3）信息采集：傳感器探測包括圖像、溫度、障礙物距離以及運行方向等信息。

4）語音播報：機器人搜索到目標時進行語音報警動作。

5）運動控制：實現前進，后退，左轉，右轉，停止等基本功能。

6）無線局域網視頻：實現環境視頻采集與傳輸。

2 系統實現

2.1 電源

為了使移動機器人運動方便，必須自帶電源。其中，機器人控制電路采用5V直流供電，電機驅動部分則需要12V直流供電，為了減少控制電路受到電機運動的干擾，采用獨立供電方式。主控制板功率消耗較小，通過LDO芯片AMS1117、LM4040B、XC6206P122等來實現3.3V、3.0V及1.2V電壓轉換；而電機板功率消耗較大，為了提高使用效率，通過開關電源LM2576實現5V電壓輸出。電源轉換電路如圖3所示：

圖3 電源系統結構

2.2 電機驅動

電機驅動電路由H橋和光電隔離電路兩部分組成，采用4片LMD18200H橋芯片實現機器人的四路直流電機控制。為提高抗干擾性，主控芯片與電機驅動放大電路之間通過光電耦合器實現隔離。MCU從GPIO輸出控制信號，經低速光耦TLP521光電隔離后輸出給LMD18200，控制電機的啟停；由于LM3S9B96的PWM輸出信號頻率較高，采用高速光耦6N137實現信號隔離，控制電機的運轉速度。電機驅動電路如圖4所示：

圖4 電機驅動電路

2.3 無線傳輸

射頻芯片選用nRF24L01+2.4GHz射頻收發器件，主控制器通過SPI端口控制無線模塊。

無線傳輸模塊主要有兩個功能：接收手持終端的控制命令和發送圖像數據至手持終端。nRF24L01+無線收發模塊的發送和接收流程如下：

（1）發送流程：將無線模塊配置為發送模式，設定節點地址、通信頻率等，控制CE信號輸出20us脈沖信號。裝載待發送數據至發送FIFO中，等待IRQ中斷信號，讀取STATUS寄存器值，判斷是否發送成功，清除相應中斷狀態，返回。

（2）接收流程：將無線模塊配置為接收模式，保證CE信號為高電平。等待中斷信號，讀取STATUS寄存器值，判斷接收FIFO中斷是否置1，若置1則開始讀取內容到緩沖中，然后清除中斷狀態；若未置1，直接清除中斷狀態，返回。

無線傳輸模塊發送和接收流程如圖5所示：

圖5 無線傳輸模塊發送和接收流程

2.4 圖像采集

遠距離搜索和探測目標時，通過監測圖像判別是否搜索到目標，采用CMOS圖像傳感器OV6620實現圖像采集。主控制器通過I2C接口初始化OV6620設置，外部中斷接口連接芯片的場中斷信號及行中斷信號，數據端采集灰度數據。

圖像數據的采集主要由場中斷VSYNC信號標記一幅圖像開始，行中斷信號HREF標記一幅圖像的每行的開始，信號PCLK則代表了每個像素點的時序。

由于PCLK周期太短，捕捉該信號耗時過大，因此系統只盡量多采集圖像點。另外，根據OV6620數據手冊，完全采集圖像數據需要100KByte RAM空間，而LM3S9B96控制器的RAM空間僅有96KB，且大數據量不適合傳輸。因此，采集程序做了一定改進。由于每張圖像的前幾行和后幾行是無效的、每行的前幾個點也是無效的，因此采集系統舍棄前10行、最后8行、以及每行前10個點，同時隔兩行采集一次。因此，一幅圖像只采集90行，每行采集75個點。雖然無法得到完整圖像，但是圖像質量不影響目標判定。

采集一幀圖像的程序流程主要有以下3部分組成，如圖6所示：

圖6 圖像采集的流程

（1）主流程：初始化I/O端口并進入場、行中斷的觸發方式，等待圖像采集的開始。接收到場中斷信號表明開始一幀圖像的同步，進入場中斷服務程序，設置相關參數，等待行中斷信號。接收到行中斷信號則表明每行圖像的開始點，進入行中斷服務程序，采集并保存數據。流程如圖6（a）點，進入行中斷服務程序，采集并保存數據。流程如圖6（a）所示。

（2）場中斷服務程序：設置采樣標志，表明采集的圖像數據有效。清零行存儲索引、行計數以保證每幀圖像存儲有效，啟動行中斷，等待行同步。流程如圖6（b）所示。

（3）行中斷服務程序：判斷場信號是否同步，場同步則開始進行行計數。設置行計數標志及延時，完成圖像數據的采集與保存。采集好每行數據后，行存儲索引計數加1，直到所有行采集結束，最后清除圖像采集標志，關閉行中斷信號。為了保證圖像采集的完整，行中斷優先級要高于場中斷。流程如圖6（c）所示。

采集的實際圖像與原圖像的對比情況如圖7所示：

圖7 實際圖像與原圖像的對比

3 總結

實驗表明，以模塊化輪式機器人實驗平臺在實驗室環境中可以較好地完成目標搜索任務。整個系統采用半自主控制方式，機器人自主導航，采集環境、目標圖像信息，傳輸至控制臺。控制臺依此進行決策，決定機器人運動控制，最終完成探測、搜索目標等功能，保證了搜索區域的覆蓋，實現了有效、快速的探測、搜索功能。

[1] 臧申俊. 基于群體智能的自主機器人設計[J]. 微型電腦應用, 2010 (5).

[2] 董曉坡,王緒本.救援機器人的發展及其在災害救援中的應用[J].防災減災工程學報,2007.27(1):112-117.

[3] 張靜等.基于SRV1平臺的多機器人搜索研究[J].天津理工大學學報,2011(4):50-53.

[4] 尹建芹等.面向病房巡視的服務機器人目標搜尋[J].機器人,2011(5):570-578.

[5] 唐紅麗,謝曉堯.救援環境下基于遙操作的機器人控制系統研究[J].貴州大學學報(自然科學版),2011(1):84-87.

[6] 楊進.應用AVR開發智能移動機器人的控制系統[J].微型電腦應用,2010,26(006): 1-3.

The Design and Research of Wheeled Robot for Target Detection

Yan Xijun，Zhao Guangchen
(College of Computer and Information Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In order to provide technical services for disaster prevention, a robot is designed to search and rescue with embedded system, wireless transmission and image processing technology. The robot and hand-held terminal are designed with ARM 11 MCU-LM3S9B96. The robot collects the image by the camera, then compresses it and transmits it to the hand-held terminal by wifi; the hand-held displays the image by TFT LCD and sends controlling commands to the robot by wifi; the robot and camera run by the commands. The experiment results show that the image collected is clear, the commands can be executed timely and reliably, and the target detection and search can be completed.

Robot; Target Detection; Wireless Communication; Image Acquisition

TP393

A

2014.04.20)

國家自然科學基金（61273170）

嚴錫君（1963-），河海大學，副教授，博士，研究方向：無線傳感器網絡，嵌入式系統，南京，210098

趙光辰（1991-），河海大學，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統，南京，210098

1007-757X(2014)08-0004-04