无线网络音视频采集机器人平台

1无线网络音视频采集机器人平台比赛编号：A377日期：2007-1-6单位：南京大学电子科学与工程系参赛者情况：（1）姓名：刘虎职业：在校本科生（2）姓名：李圣红职业：在校本科生（3）姓名：陈烨职业：在校本科生（4）姓名：王玉龙职业：在校本科生（5）姓名：周春城职业：在校本科生联系方式：姓名：刘虎电话：[phone]地址：江苏省南京市南京大学浦口校区8栋2单元103邮箱：[e-mail]2【摘要】在现实生活与生产领域，经常需要一种机器人能够代替人类在复杂环境下从事劳动，如灾难搜救、危险场所作业以及狭小空间内的勘探等，这种机器人一般要求体积小、重量轻，具有行走功能和感知功能，并且能够远程遥控。本方案基于st-arm7嵌入式系统、CMOS图象传感器和无线传输技术，可以实现一个遥控机器人，通过遥控采集目标图象和声音，并实时传回至PC机显示。同时我们可以通过pc机对机器人进行实时控制。系统具有如下特点：（1）实时传回目标处的图象声音信息，便于及时作出判断和决策（2）体积小巧，可遥控到达如中央空调通气道等狭小空间内（3）控制和图象显示端采用普通PC机，无需额外成本（4）通过扩展增加作业机构可以实现遥控作业，如排爆等【关键词】CMOS图象传感器、arm嵌入式系统、无线传输，遥控机器人系统方案:一、概述系统主要由移动机器人终端和PC机控制终端两部分组成，机器人终端实时采集目标的图象信息，通过无线网络传回PC机终端，PC机终端将图象信息显示在LCD上；同时可以通过PC机终端向机器人发出指令控制其运动，可以用于矿难搜救、排爆以及中央空调通风管道的检测、清洁等。系统整体框图如下：3机器人终端和PC机终端通过无线网络互连，建立全双工通信，机器人终端往PC机端传送图象信息，PC机端往机器人端传送运动控制信号。机器人终端主要由图象采集、数据处理、无线传输和伺服机构控制4个模块组成，通过运行嵌入式操作系统驱动这四个模块协调工作。其中图象采集模块采用CMOS摄像头，根据CMOS摄像头初步拟订有两个子方案供选择：（1）如果能有自带硬件编码的CMOS摄像头，可直接得到MPEG-4格式的图像文件，则直接将其打包发送，这样得到的图象连续性好，而且需要带宽少。（2）如果无法找到自带硬件编码CMOS摄像头，则通过数据处理模块将图象简单地处理，得到如jpeg格式之类的图片格式发送，这种方案需要带宽大，而且在限定带宽下画面连续性较MPEG-4格式的图像也有差距，但是由于机器人移动较慢，即便每秒两幅图片也已足够，所以此方案也可以选择。二、硬件部分介绍机器人终端硬件包括系统板和伺服机构两部分，其中系统板基于STR710FZ2T6处理器芯片，外部扩展RAM和FLASH存储器以便于运行嵌入式操作系统，通过usb接口连接摄象头和无线网卡，用于运行操作系统、采集图象信息并与PC终端通讯；伺服机构主要为两片LMD18245芯片和直流电机，通过STR710芯片的GPIO与系统板相连，负责控制机器人的运动。硬件框图如下：下面分别对各重要部分电路作简单介绍：a,电源部分：4外部电源输入电压为5V，通过由图中L1、L2、C1-C4组成的去耦电路后，一路作为USB接口电源，另一路接到LM1117芯片，LM1117芯片将5V电压转化为3.3V电压，供数字芯片使用。此外，STR710芯片、晶振以及串口芯片MAX3232各用一个10uF和一个0.1uF电容去耦，其余芯片则各并联一个0.1uF电容。b,STR710处理器部分：5处理器芯片采用STR710FZ2T6芯片，由/CS0和/CS1信号分别选通外部扩展的FLASH和RAM地址段，使用了芯片的USB、JTAG接口和U2串口；另外，芯片的P2.8-P2.15和P1.0-P1.6引脚用于控制伺服机构，P1.13、P1.14用于控制PCB板上的两个指示灯LED。c,时钟源部分：系统使用3个晶振，其中16M和48M的有源晶振信号分别作为STR芯片的主时钟和USB时钟，32K的振荡器用于提供实时时钟信号。d,存储器部分：由于处理器芯片数据总线为16位，寻址方式为双字节，地址线A0固定为低电平，所以A0地址线不使用，直接以A1为最低位地址。RAM：RAM通过STR710的/CS1信号选通，考虑到需要运行操作系统，需要较大的内存，采用TC55V8200芯片，TC55V8200是TOSHIBA公司生产的CMOS静态RAM，8位数据总线，每片可6以提供2M字节的容量。采用位扩展的方法，将两片TC55V8200分别定义为16位数据的D0~D7和D8~D15，与STR710芯片的16位数据总线相连，可得到4M字节的容量。/WR0、/WR1低高字节写允许信号分别接到两片RAM的/WE端，控制奇偶地址单元的写允许。FLASHmemory：FLASH存储器采用ST39VF640芯片，它有8M字节容量，16位数据总线，可与STR710芯片直接相连。芯片由/CS0信号选通，/WR0信号控制写允许，通过J_FALSH跳线可以控制芯片的写保护，防止数据被破坏。e，串口接口部分：7STR710的U2串口用于调试时与PC机之间的通讯，DB-9接口的RTS连到自身的CTS和RI端，同时DTR线也连到自身DSR端，这样只要接通电源就可以直接传输数据。为了符合RS232C规定的电压标准，RX、TX信号通过MAX3232芯片进行电压转换，由于MAX3232对电源的影响比较大，所以对其多加了一个10uF的去耦电容。f,JTAG调试接口部分：g,USB接口部分：USB接口对于系统很重要，重要部件（CMOS摄象头和无线网卡）都通过USB接口与系统相连。由于需要扩展两个USB接口，初步打算只在PCB板上画一个USB接口，通过外接市场上购买的USB扩展坞扩展。f,无线传输模块：无线模块采用基于802.11协议的WLAN。在机器人端和pc端各有一块，通过usb接口8接入系统，在有效范围内传输速率可达300kbps左右。g,伺服机构：考虑到机器人的速度不用太快，却需要适应较复杂的环境，而履带具有爬坡能力强、转弯半径小等优点，正满足要求，所以采用履带驱动。左右履带各采用一个普通永磁直流电机驱动，电机用脉冲控制，为了保持两台电机的同步，采用了锁相环反馈的方法，并通过功放电路增加输出功率。当采用双极性输出方式驱动直流电机时，其固定斩波时间设定为：91.11.120offtimeTRCk电流传感电阻的阻值Rs为：R616250DACEFsLOADMAXDVR功放采用国家半导体的功放集成电路LMD18245，LMD18245是为中小型直流电机及两相步进电机设计的功率放大集成电路。包含了直流电机和步进电机驱动及控制所需的所有电路模块，如四位D/A转换器、电机电流传感放大器、比较器、单稳电路、输入及控制逻辑、过流保护、欠压保护、过热保护等。其主要性能参数如下：芯片的DIRECTION端连接微控制器的PWM输出。通过改变PWM脉冲的占空比，可以改变电机的转速和转向。微控制器可以通过M4～M1端改变电机的最大电流阀值，控制电机的力矩大小，从而方便地实现电机调速。由于电机电流的跳变及转向的经常出现，因此电源线上也会出现脉冲电压和浪涌电流，为了避免对系统电源产生影响，采用高频陶瓷滤波电容和大容量的铝电解电容来分别消除脉冲电压和浪涌电流。陶瓷电容值为1uF，铝介质电容按负载电流100uF/A配置。电路原理图如下：工作温度范围-40℃～+125℃电机电源电压范围+12V～+55V最大逻辑电压+12V最大输出持续电流3V最大输出峰值电流6V最小输入脉冲宽度2us电流传感器最大线性误差（0.5A～3A）±9%9h,PCB图(具体SCH和PCB文件见附录)：二、软件部分软件分为机器人端和PC机端两部分。机器人端不停采集图象信息并通过无线网卡以UDP包形式发往PC机端，同时接收PC机端传送的控制信号并根据控制信号调整运动状态；PC机端则接收和显示图象，并且根据操作者对键盘的控制将控制信号以TCP包发往机器人端。10１、机器人端：系统板上运行嵌入式操作系统，如ucOS,uclinux,arm-linux等，这些系统具有内核小、性能高、可移植性强、支持多任务等特点，同时都公开源代码，可以直接从网站下载，尤其是arm-linux系统，专门针对arm处理器，移植将更容易。对操作系统进行适当的精减，并增加对USB接口、无线网卡和摄象头的驱动程序，通过编写应用程序对系统进行控制。软件框架如下：系统运行两个进程，进程Ａ负责采集和发送图象；进程Ｂ接收控制信号并调整运动状态软件流程图见下页。２、ＰＣ机端：与机器人端对应，ＰＣ机端也运行两个进程，进程C负责接收图象信息、解码并显示图象；进程D根据键盘控制发送控制信号。流程图如下：接收图象数据解包解码显示读取键盘编码打包通过wlan发送初始化网络和视频有命令？YN进程C：进程Ｄ：11机器人端软件流程图：与主机建立WLAN连接系统启动，初始化设备等待CMOS摄象头音视频采集完？具体移动控制处理。前进后退左移右移UDP包发送YN等待控制信号接受到信号？YN启动进程进程A进程B12附件：A377.ddbA377-原理图.schA377-PCB图.pcb参考资料：1．AN1775STR71xHardwareDevelopmentGettingStarted2．SchofEvaluationBoardforSTR71Xf3．SchofDV710BBoard4.STR91X系列ARM微控制器原理与实践北京航空航天大学出版社沈建华等编著5.机器人的创意设计与实践北京航空航天大学出版社宗光华等编著