基于S3C6410目標搜索飛行器的設(shè)計與研究

摘要：應用嵌入式技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和圖像處理技術(shù)，設(shè)計目標搜索飛行器，為防災救災提供技術(shù)服務。系統(tǒng)包括手持終端和飛行器，采用 ARM11架構(gòu)的S3C6410微處理器，移植Linux操作系統(tǒng)。飛行器攜帶攝像頭采集圖像并壓縮，通過wifi傳輸?shù)绞殖纸K端，在本地的TFT液晶屏顯示;同時手持終端向飛行器發(fā)送控制命令，飛行器根據(jù)命令控制自身的運動和攝像頭的轉(zhuǎn)動。實驗結(jié)果表明，采集的圖像清晰、命令執(zhí)行及時可靠，能夠較好地完成目標探測、搜索等任務。

關(guān)鍵詞：飛行器;目標搜索;無線通信;圖像采集

近年來大規(guī)模的災難、事故頻發(fā)，對人類的生命和財產(chǎn)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(shè)備具有特別重要的意義。隨著科技的進步，新型技術(shù)成為救援的制勝法寶，尤其是飛行機器人技術(shù)。因具有靈活、重量輕、以及可深入危險區(qū)域工作等優(yōu)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(wěn)定的運動控制、采集多種環(huán)境信息、以及無線控制等功能。可見，搜索飛行器需考慮完成的功能多、涉及技術(shù)廣、環(huán)境狀態(tài)不確定等因素，因此存在設(shè)計難、可擴展性差、缺少豐富的通訊能力、研究成本高等問題。

針對以上問題，文中根據(jù)飛行機器人系統(tǒng)的可擴展、可裁剪、以及互操作等特性，采用模塊化方法設(shè)計并實現(xiàn)一個飛行機器人原型系統(tǒng).通過無線通信實現(xiàn)飛行器控制及數(shù)據(jù)傳輸，以完成目標探測、搜索以及安全監(jiān)控等功能。

1 目標搜索飛行器系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

目標搜索飛行器須具備一定的飛行速度、低能耗、飛行穩(wěn)定性、適應多樣的環(huán)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(jié)構(gòu)簡單，可省去復雜的機械設(shè)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(jù)顯示的圖像信息，利用可視化觸控界面向飛行器發(fā)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(jù)此命令調(diào)節(jié)電機驅(qū)動電路，控制直流電機的轉(zhuǎn)動、啟停，實現(xiàn)飛行器的前進、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，以調(diào)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(diào)整飛行運動。手持終端和飛行器主控制板采用ARM11架構(gòu)的S3C6410微處理器作為控制核心，軟件上運行Linux 操作系統(tǒng)，主要完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)、圖像數(shù)據(jù)處理、電機控制信號輸出等功能。飛行器硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(diào)用關(guān)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(shè)計，建立系統(tǒng)操作用例圖(Use—Case)。系統(tǒng)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。

飛行器系統(tǒng)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(qū)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(shù)據(jù)發(fā)送：將采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡發(fā)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(xiàn)前進，轉(zhuǎn)向，升降，啟停等基本功能。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

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(qū)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(xiàn)3.3 V、3.0 V及1.2 V電壓轉(zhuǎn)換;而電機板功率消耗較大，為了提高使用效率，通過開關(guān)電源LM2576實現(xiàn)5 V電壓輸出。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.2 電機驅(qū)動

電機驅(qū)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(xiàn)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(qū)動放大電路之間通過光電耦合器實現(xiàn)隔離。S3C6410從GPIO輸出控制信號，經(jīng)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(xiàn)信號隔離，控制電機的運轉(zhuǎn)速度。電機驅(qū)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54MUSB無線網(wǎng)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(wǎng)卡的工作模式為對等式模式，在Linux操作系統(tǒng)下采用socket套接字建立TCP連接，實現(xiàn)圖像和命令信息的交互。

主處理器通過USB端口控制無線模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。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(fā)送控制命令;2)飛行器回傳圖像數(shù)據(jù)至手持終端。飛行器系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了多任務并發(fā)方式執(zhí)行，飛行器系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸、處理的過程如下：

1)發(fā)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(nèi)存將按鍵值傳給控制命令發(fā)送進程，該進程通過socket套接字，將命令信息發(fā)送給現(xiàn)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(diào)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(xiàn)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(fā)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?shù)能浖ぷ骺蚣苋鐖D5所示。

手持控制終端作為客戶端向現(xiàn)場飛行器服務器發(fā)送控制命令，所以要延時等待現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(jiān)測圖像判別是否搜索到目標，采用CMOS圖像傳感器OV6620實現(xiàn)圖像采集。主處理器通過I2C接口初始化OV6620設(shè)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(shù)據(jù)端采集圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)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(jù)液晶顯示640*480采集圖像數(shù)據(jù)，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(qū)動開發(fā)，V4L2子系統(tǒng)包括用戶態(tài)，內(nèi)核和硬件3個部分。用戶空間負責為應用程序提供訪問設(shè)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(tǒng)一的設(shè)備接口，Video驅(qū)動負責具體設(shè)備的初始化，配置不同型號的攝像頭的采集過程。

V4L2為Linux下的視頻設(shè)備程序提供了一套接口規(guī)范，采用流水線的工作方式，遵循打開視頻設(shè)備，設(shè)置格式，申請內(nèi)存，處理數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備的 Linux字符驅(qū)動設(shè)計方式。L inux下OV6620攝像頭驅(qū)動屬于字符類設(shè)備，它能夠像字節(jié)流一樣被訪問，且只能夠順序讀寫，OV6620攝像頭的驅(qū)動流程如圖7所示，系統(tǒng)首先加載驅(qū)動模塊，匹配OV6620硬件設(shè)備，向系統(tǒng)中注冊字符設(shè)備，通過I2C初始化攝像頭寄存器，并分配相應的內(nèi)存空間，開始采集發(fā)送圖像，完成后釋放相應的資源。

3 結(jié)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(huán)境中可以較好地完成目標搜索任務。整個系統(tǒng)采用半自主控制方式，飛行器自主導航，采集環(huán)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(qū)域的覆蓋，實現(xiàn)了有效、快速的探測、搜索功能。