基于S3C6410目標搜索飛行器的設計與研究

王藝瑤，嚴錫君

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 210098）

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，研究高效的救援搜索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，尤其是飛行機器人技術[1-2]。因具有靈活、重量輕、以及可深入危險區域工作等優勢，搜索飛行器在災后救援工作中起著越來越重要的作用，此類飛行器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]。可見，搜索飛行器需考慮完成的功能多、涉及技術廣、環境狀態不確定等因素，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[4]。

針對以上問題，文中根據飛行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飛行機器人原型系統，通過無線通信實現飛行器控制及數據傳輸，以完成目標探測、搜索以及安全監控等功能。

1 目標搜索飛行器系統設計

1.1 硬件體系結構

目標搜索飛行器須具備一定的飛行速度、低能耗、飛行穩定性、適應多樣的環境探測，以及有懸停、垂直升降升能力。其中，飛行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，采用四輪旋翼飛行方式，增強飛行器的移動能力。

目標搜索飛行器包括手持控制終端和飛行機器人兩部分，兩者之間通過wifi無線通信方式傳輸圖像和控制信息；飛行器利用攜帶的攝像頭采集圖像并進行壓縮，通過wifi傳輸給手持終端，手持終端對接收到的圖像進行解壓后在本地的TFT液晶屏顯示。用戶可根據顯示的圖像信息，利用可視化觸控界面向飛行器發送飛行控制命令，飛行器接收到控制命令后進行解析，然后據此命令調節電機驅動電路，控制直流電機的轉動、啟停，實現飛行器的前進、轉向、升降、懸停等運動，同時飛行器的主處理器可控制攝像頭180°的轉動，以調整拍攝角度。語音模塊可以在飛行器搜索到目標信息后進行報警提示。此外，飛行器上還帶有超聲測距、電子羅盤等傳感器，在飛行的過程中通過這些傳感器提供的信息自我調整飛行運動。手持終端和飛行器主控制板采用ARM11架構的S3C6410微處理器作為控制核心，軟件上運行Linux操作系統，主要完成無線數據收發、圖像數據處理、電機控制信號輸出等功能。飛行器硬件體系結構如圖1所示。

圖1 飛行器硬件體系結構Fig.1 The hardware architecture of vehicle

1.2 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）[5]。系統被抽象為操作員、飛行器和手持終端3部分，操作員通過操縱手持控制終端與飛行器進行對話。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Fig.2 The application function model

飛行器系統主要完成以下功能：

1）命令接收：接收控制終端的指令。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網卡發送給手持式控制終端。

3）信息采集：傳感器探測包括圖像、障礙物距離以及運行方向等信息。

4）語音播報：飛行器搜索到目標時進行語音報警動作。

5）運動控制：實現前進，轉向，升降，啟停等基本功能。

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，飛行器控制電路采用5 V直流供電，電機驅動部分則需要12 V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3.3 V、3.0 V及1.2 V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5 V電壓輸出。電源轉換電路如圖3所示。

圖3 電源系統結構Fig.3 The structure of power supply system

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橋芯片實現飛行器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。S3C6410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S3C6410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[6]。電機驅動電路如圖4所示。

2.3 無線傳輸

無線通信模塊采用的是基于RT2571/RT73芯片的54M USB無線網卡，符合IEEE 802.11b和IEEE 802.11g標準。手持控制終端和飛行器之間采用對等式（Ad-Hoc）的方式進行通信，配置雙方的無線網卡的工作模式為對等式模式，在Linux操作系統下采用socket套接字建立TCP連接，實現圖像和命令信息的交互。

圖4 電機驅動電路Fig.4 Motor drive circuit

主處理器通過USB端口控制無線模塊的數據收發。無線傳輸模塊主要完成兩個任務：1）手持式終端向飛行器發送控制命令；2）飛行器回傳圖像數據至手持終端。飛行器系統的軟件設計采用了多任務并發方式執行，飛行器系統無線數據傳輸、處理的過程如下：

1）發送流程：手持控制終端的QT界面獲取操作人員的按鍵信息，并通過共享內存將按鍵值傳給控制命令發送進程，該進程通過socket套接字，將命令信息發送給現場機器人的控制命令接收子進程，該進程對命令進行解析，通過調整四路PWM輸出占空比，從而控制飛行器的運行。

2）接收流程：現場機器人的圖像采集子進程將采集到的圖像進行壓縮后通過socket套接字發送至手持控制終端，由圖像接收子進程接收并對圖像信息進行解壓等處理，然后在本地液晶屏上進行顯示。無線傳輸的軟件工作框架如圖5所示。

圖5 無線傳輸模塊發送和接收流程Fig.5 Send and receive process of wireless transmission module

手持控制終端作為客戶端向現場飛行器服務器發送控制命令，所以要延時等待現場飛行器服務器的建立，當傳輸控制命令的C/S模式建立完成后，飛行器要作為客戶端向手持控制終端發送圖像信息，就必須延時等待手持式控制終端服務器的建立，等待傳輸圖像信息的C/S模式建立，手持控制終端的套接字流程如圖6（a）所示，現場機器人的套接字流程如圖6（b）所示。

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。主處理器通過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，8位數據端采集圖像數據[7]。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。配置OV6620的為RGB565圖像輸出格式，根據液晶顯示640*480采集圖像數據，需要60萬Byte RAM空間。

基于ARM平臺的圖像采集模塊的軟件部分采用的是基于S3C6410硬件平臺的V4L2視頻驅動開發，V4L2子系統包括用戶態，內核和硬件3個部分。用戶空間負責為應用程序提供訪問設備的接口，Video_core負責屏蔽底層硬件的差異，為應用程序提供統一的設備接口，Video驅動負責具體設備的初始化，配置不同型號的攝像頭的采集過程。

圖6 Socket通信流程圖Fig.6 The flow diagram of socket communication

圖7 圖像采集的流程Fig.7 Image acquisition process

V4L2為Linux下的視頻設備程序提供了一套接口規范，采用流水線的工作方式，遵循打開視頻設備，設置格式，申請內存，處理數據，關閉設備的Linux字符驅動設計方式。Linux下OV6620攝像頭驅動屬于字符類設備，它能夠像字節流一樣被訪問，且只能夠順序讀寫，OV6620攝像頭的驅動流程如圖7所示，系統首先加載驅動模塊，匹配OV6620硬件設備，向系統中注冊字符設備，通過I2C初始化攝像頭寄存器，并分配相應的內存空間，開始采集發送圖像，完成后釋放相應的資源。

3 結束語

實驗表明，以模塊化目標搜索飛行器實驗平臺在實驗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，飛行器自主導航，采集環境、目標圖像信息，傳輸至控制終端。控制終端依此進行決策，決定飛行器的運動控制，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。

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