基于WIFI數字圖像傳輸的采摘機器人交互終端研發

馬 茵，田 磊，韓孟洋

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

WIFI無線通信是當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術，可以將有線信號轉換為無線信號，且支持眾多的通信終端，如PDA、手機和電腦設備等[1-4]。在大型商場和車站等很多公共場所都有WIFI信號覆蓋，可以在不連接聯通、移動網的情況下直接上網，其應用非常普及；但是，將WIFI使用在工程控制或者農業領域還比較少[5-9]。相對于紅外線和藍牙無線通信，WIFI具有傳輸速度快和傳輸距離長等很多特點，將其用作數字圖像傳輸和控制信號發送都具有明顯的優勢，且WIFI設備的上位機可以是常用的移動設備，使用簡單方便，將其使用在農業采摘機器人控制領域具有重要的現實意義[10-13]。

1 基于WIFI的采摘機器人交互式終端總體設計

基于WIFI的交互式終端采摘機器人具有雙向通信的功能，一方面利用采摘機器人終端采集采摘作業環境信息，以數字圖像的形式發送給監控終端；另一方面監控終端可以對采摘機器人發出控制指令，這些數字圖像和指令的傳送都需要借助于WIFI無線通信[14-15]。基于WIFI的交互式終端采摘機器人主要由6部分組成，包括采摘機器人載體、無線WIFI路由設備、圖像采集設備、圖像處理云臺、控制板和采摘終端，如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 The block diagram of system design

在系統的整個設計中，最核心的部分是WIFI和MCU兩個核心模塊。其中，WIFI采用集成電路板的形式，相當于一個小型路由器集成了各種端口；MCU主要負責圖像的采集和處理過程，其作業流程如圖2所示。

圖像采集裝備的鏡頭采用了300萬像素的CMOS攝像頭，可以輸出彩色的VGA 陣列，且圖像的輸送速率可以達到30幀/s，可以實時地傳送采集圖像。為了提高圖像的輸送速度和質量，需要在輸送之前利用MCU核心處理器對圖像進行處理，主要處理項目包括顏色處理和圖像壓縮編碼，在圖像處理后便可以通過WIFI模塊進行圖像傳輸[16-20]。WIFI和MCU系統共同作業的基本流程如圖3所示。

圖2 圖像采集和處理流程Fig.2 The flow of image acquisition and processing

圖3 采摘機器人WIFI和MCU模塊Fig.3 WIFI and MCU module of picking robot

監控終端是上位機，可以采用PC或者手機設備，該終端設備可以接受WIFI模塊傳送過來的數字圖像信號，并可以將控制信號發送到機器人末端的MCU處理器，控制電機的運動，從而完成采摘作業。

2 圖像交互傳輸系統框架和信號檢測算法

在采摘機器人作業過程中，由于山區環境的復雜性，其數字圖像傳輸的通信問題是首先需要解決的問題[21-23]。為了保證通信質量，需要對通信信號進行檢測，消除干擾的影響。迫零判決反饋均衡ZF-DFE檢測算法是一種非常高效的檢測算法，算法檢測信號時是一個個的檢測，并且可以消除干擾信號。其檢測過程是先檢測x信號分量x1，在保證該信號沒有干擾后，再繼續檢測信號分量x2，在檢測時需要將信道矩陣H進行QL分解，通過分解可得

H=FTS

(1)

其中，S表示K×K的下三角矩陣，F表示K×K的正交矩陣，其表達式為

(2)

將WIFI檢測器接收到的信號y與F相乘得到

y'=Fy=F(FTSx+n)=Sx+Fn

(3)

因為F是正交矩陣，所以不會對噪聲產生增強的效果，于是可得

(4)

其中，xl表示信號分量，除以Skk得到

(5)

當k=1時，有

(6)

當k>1時，有

(7)

為了使信號檢測算法更加準確，采用V-BLAST算法對其進行改進，在進行信號檢測之前，首先根據信號干擾對信號進行排序，其表達式為

y'=H-1y=x+H-1n

(8)

對信號進行排序后，首先受到干擾信號影響最小的y′的分量先被檢測出來，干擾信號分量是式(8)中H-1的向量中的最小值對應的k1，將信號的干擾去掉后便可以檢測出原信號，其表達式為

(9)

y(2)=H(2)x+n

(10)

根據干擾信號的排序，對下一個信號進行檢測時，可以利用H(2)的偽逆矩陣，對信號進行迫零均衡監測，然后重新找到信號向量的最小值進行檢測，去掉干擾信號后繼續檢測下一個信號。

如圖4所示：數字圖像傳輸系統采用ARM處理器，軟件部分使用 Linux 操作系統，圖像傳輸采用WIFI無線傳輸，并通過數字圖像編碼加快圖像的傳輸速度，最后在監控終端對圖像信號進行檢測，消除噪聲的干擾。

圖4 數字圖像傳輸系統硬件框架Fig.4 The hardware architecture of digital image transmission system

如圖5所示：軟件部分主要是基于Linux操作系統，設計的軟件系統框架具有較好開源性、兼容性和穩定性，并具有雙向通信控制模塊，在可以接收采摘機器人發送的數字圖像的同時，還具有控制指令的發送功能。

圖5 軟件系統框架Fig.5 The software architecture

3 數字圖像傳輸交互性測試

在實際通信時，相對于其他無線通信方式，WIFI通信的距離比較長，因此采用WIFI無線傳輸對采摘機器人的數字圖像傳輸和雙向通信能力進行測試[24-27]。測試的主要功能監控端和采摘機器人包括實時圖像傳輸、監控中心發出控制指令及機器人接收端誤碼率等，實驗模型如圖6所示。

實驗模型的核心部分是WIFI通信集成板，為了便于實驗測試，將WIFI模板簡化成了一個無線路由器，并擴展了充電接口，同時設計了USB攝像頭接口，其實物如圖7所示。

圖6 采摘機器人通信實驗模型圖Fig.6 The experimental model of robot communication

圖7 無線WIFI通信集成板實物圖Fig.7 The physical diagram of wireless WIFI communication integration board

使用攝像機捕獲的視頻可以通過USB接口傳輸到監控端，然后監控端根據實時圖像信息，對采摘機器人末端發出控制指令，實現交互式通信，通過對圖像傳輸性能的測試，得到了如表1所示的結果。

表1 監控端不同通信方式數字圖像傳輸性能對比測試

通過測試發現：利用WIFI通信相比其他方式的通信，具有很多優勢，其傳送距離較長，可以滿足復雜山區的采摘作業需求，傳送速度也較快。對誤碼率進行了測試，得到了如圖8所示的測試結果。

圖8 機器人端接收信號信噪比-誤碼率曲線Fig.8 The signal to noise ratio error rate curve of the received signal at the end of the robot

由圖8可知：隨著信噪比的增大，誤碼率呈下降趨勢，但總體誤碼率較小，說明即便在復雜的山區作業，控制中心發出指令后，在采摘機器人端可以接收到較高質量的指令信號，可以實現交互式通信。

4 結論

為了實現一些危險復雜地帶的采摘作業，提出了一款具有雙向通信的采摘機器人，在作業過程中可以實時傳送回作業環境圖像，也可以雙向接受控制終端發出的控制指令。采摘機器人的上位機采用了PC機和手機作為控制終端，利用WIFI無線通信模塊進行數字圖像和控制指令的傳送，圖像和控制指令的處理使用了MCU核心處理器，圖像的采集設備是COMS高清相機。為了驗證裝置的可行性，對雙向通信的速度、距離和誤碼率進行了測試，結果表明：相比其他通信方式，采用WIFI無線通信設計的該款采摘機器人的通信速度較快，通信距離較遠，誤碼率較低，滿足設計需求。

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