可視化遠(yuǎn)程遙控移動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)械手在現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，航空航天業(yè)，軍事業(yè)，同時(shí)也將進(jìn)入服務(wù)業(yè)，移動(dòng)機(jī)械手是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體的產(chǎn)品。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。從自動(dòng)化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)械手已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。然而就目前的機(jī)械手技術(shù)水平而言，機(jī)械手在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境，機(jī)械手的能力更顯不足。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來、嵌入式技術(shù)及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高性能嵌入式芯片的出現(xiàn)，嵌入式操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，并且應(yīng)用到嵌入式處理器中，促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)械手向更加向智能化方向發(fā)展。本文以TI公司的OMAP4430異構(gòu)多核處理器為核心，Android手機(jī)為控制終端，實(shí)現(xiàn)了一款基于搖桿手柄操作的可視化移動(dòng)機(jī)械手?？刂平K端Android手機(jī)響應(yīng)搖桿事件控制移動(dòng)機(jī)械手操作。同時(shí)借助OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強(qiáng)大優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了對720P視頻的實(shí)時(shí)無線傳輸。為了提高移動(dòng)機(jī)械手的控制精度和相應(yīng)速度，采用直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)并采用實(shí)現(xiàn)180級別角度和速度的7個(gè)AX-12馬達(dá)來提供更大的力矩。最后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的可行性。

1 硬件平臺(tái)

本次設(shè)計(jì)的可視化遠(yuǎn)程遙控移動(dòng)機(jī)械手硬件部分主要分為OMAP4430開發(fā)板、Android手機(jī)、車體及機(jī)械手馬達(dá)三部分。

1.1 OMAP4430開發(fā)板

OMAP4430 是TI公司的實(shí)現(xiàn)了高性能和低功耗完美平衡的Soc，其內(nèi)部主要包括四個(gè)處理引擎：基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1Ghz雙核處理器，可編程多媒體硬件加速引擎IVA-HD及協(xié)處理核Cortex-M3，高性能的圖像顯卡Power SGX540及提供圖像視頻并行計(jì)算的ISP。其中IVA-HD多媒體加速引擎內(nèi)部有7個(gè)針對各種視頻編解碼而設(shè)計(jì)的加速引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)對720P視頻的實(shí)時(shí)編解碼。其內(nèi)部示意圖如圖1所示:

圖1 OMAP4430內(nèi)部引擎示意圖

1.2 Android平臺(tái)

Android是一個(gè)以Linux為基礎(chǔ)的開放源代碼移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)，主要用于移動(dòng)設(shè)備，由Google成立的Open Handset Alliance持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)中。Android具有開源、良好的可移植性等成為全球第一大智能手機(jī)操作系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)Android手機(jī)采用聯(lián)發(fā)科Cortex-A7處理器，支持無線網(wǎng)卡AP熱點(diǎn),支持H264硬解碼。

1.3 移動(dòng)機(jī)械手

移動(dòng)機(jī)械手由運(yùn)動(dòng)小車和機(jī)械手組成，運(yùn)動(dòng)小車負(fù)責(zé)地面移動(dòng)，而機(jī)械手通過旋轉(zhuǎn)6個(gè)馬達(dá)關(guān)節(jié)來完成捉取地面目標(biāo)任務(wù)。

1.3.1 移動(dòng)小車

利用高性能MCU ATmega128L芯片通過傳感器采集當(dāng)前的狀態(tài)及驅(qū)動(dòng)DC馬達(dá)進(jìn)行移動(dòng), ATmega128單片機(jī)為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ，小車采用4輪驅(qū)動(dòng)車輪形移動(dòng)機(jī)器人，配有4個(gè)DC直流馬達(dá)及多種傳感器，具有卓越的旋轉(zhuǎn)能力和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，小車控制框架如圖2所示：

圖2 小車運(yùn)動(dòng)控制示意圖

1.3.2 機(jī)械手

機(jī)械手由6個(gè)AX-12馬達(dá)組成，AX-12馬達(dá)具有180級別位置和速度控制、位置角度和速度的實(shí)時(shí)反饋、內(nèi)部溫度或力矩超出范圍時(shí)給予警告提示等優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)馬達(dá)的關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)機(jī)械手360度旋轉(zhuǎn)，第二個(gè)關(guān)節(jié)的同時(shí)控制兩個(gè)馬達(dá)，這個(gè)關(guān)節(jié)在提起和放下物體時(shí)提供了必須的扭矩，因此通過控制兩個(gè)馬達(dá)補(bǔ)充扭矩大小的不足，而第三第四個(gè)馬達(dá)提供了機(jī)械手捉取目標(biāo)時(shí)前伸和后縮所需的力矩，第五個(gè)馬達(dá)則是手腕旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，用于旋轉(zhuǎn)最后一個(gè)馬達(dá)的空中角度。最后一個(gè)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)將推動(dòng)夾子張開和閉合來捉取地表目標(biāo)。通過這6個(gè)馬達(dá)的機(jī)械臂，可向所有方向移動(dòng)并進(jìn)行多樣化的動(dòng)作實(shí)驗(yàn)。

1.4 系統(tǒng)硬件框架

圖4 系統(tǒng)硬件框架圖

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括Android手機(jī)應(yīng)用、OMAP4430開發(fā)板Linux控制服務(wù)端和無線視頻服務(wù)軟件設(shè)計(jì)、AVR單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

Android應(yīng)用主要負(fù)責(zé)接收手柄水平、豎直方向的搖桿時(shí)間和手柄按鍵事件、實(shí)時(shí)分析處理事件、將結(jié)果通過Socket發(fā)送給OMAP4430開發(fā)板。同時(shí)Android將實(shí)時(shí)接收經(jīng)過OMAP4430開發(fā)板通過H264算法壓縮的720P視頻流并通過硬解碼技術(shù)將解碼緩存繪制到控制界面上。

OMAP4430開發(fā)板搭載Linux3.9.11操作系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)卡Socket編程與Android手機(jī)建立通信，它主要負(fù)責(zé)接收Android平臺(tái)發(fā)過來的控制命令并進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙串口發(fā)送給AVR單片機(jī)控制移動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和馬達(dá)操作。利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強(qiáng)大優(yōu)勢，通過USB攝像頭采集720P分辨力的視頻幀通過libdce庫利用內(nèi)部的IVA-HD多媒體硬件加速引擎進(jìn)行H264編碼，并將編碼視頻緩存流通過無線網(wǎng)卡Socket通信發(fā)送到Android手機(jī)進(jìn)行顯示。

而底端AVR單片機(jī)則負(fù)責(zé)接收OMAP4430發(fā)過來的控制命令來操作4個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、同時(shí)將通信數(shù)據(jù)進(jìn)行解析成機(jī)械馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度及角度械手的動(dòng)作來完成任務(wù)。

圖5 系統(tǒng)軟件框架圖

2.1 移動(dòng)機(jī)械手單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)機(jī)械手的控制核心為ATmega128L單片機(jī)，其內(nèi)部通過時(shí)鐘產(chǎn)生變換PWM來控制4個(gè)DC電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的移動(dòng)。同時(shí)內(nèi)部有兩個(gè)UART串口，分別與OMAP4430通信的藍(lán)牙串口和控制AX-12馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的串口。其軟件流程如下：

1)寄存器初始化：包括初始化時(shí)鐘定時(shí)器、端口輸入輸出初始化、設(shè)置LED控制寄存器等

2)打開藍(lán)牙串口和與AX-12通信串口，設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位等屬性

3)藍(lán)牙串口接收OMAP4430發(fā)過來的控制參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)解析處理。如果為運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，則通過PWM_change()修改PWM來控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方向，如果為機(jī)械手設(shè)置參數(shù)通過Ctrl_Array_MT()設(shè)置每個(gè)AX-12馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來完成捉取目標(biāo)任務(wù)。

4)讀取AX-12馬達(dá)的溫度及力矩，如果超出預(yù)定范圍則調(diào)整馬達(dá)速度和力矩并向OMAP4430開發(fā)板發(fā)出提示信息。機(jī)械手動(dòng)作控制命令如表1所示:

表1 移動(dòng)機(jī)械手操作命令

2.2 Android應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 搖桿手柄事件處理

搖桿手柄采用USB OTG方式連接到Android手機(jī)，Linux內(nèi)核已經(jīng)包括其驅(qū)動(dòng)程序。手柄的水平豎直搖桿事件和按鍵事件都將觸發(fā)MainActivity的onKeyDown()函數(shù)和onGenericMotionEvent()函數(shù)的調(diào)用，在函數(shù)中分析事件對象的屬性(觸發(fā)按鍵ID、事件類型)進(jìn)而向OMAP4430發(fā)出不同控制命令。其參考代碼如下:

boolean onKeyDown(int keyCode, KeyEvent event)

{if(event.getSource()==InputDevice.SOURCE_JOYST ICK || event.getSource()==1281) //手柄按鍵事件

{ if(event.getAction()==KeyEvent.ACTION_DOWN)

{ int keycode=event.getKeyCode();

swicth(keycode)

{ case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_1:

……. break; //ID=1按鍵按下觸發(fā)的事件

case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_2:

case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_3:

default:break;}}}}

boolean onGenericMotionEvent(MotionEvent event){

if(event.getSource()==InputDevice.SOURCE_JOYSTICK)

{ //手柄搖桿事件

float Raw_x=event.getRawX(); //水平方向偏移

float Raw_y=event.getRawY(); //豎直方向偏移

}}

2.2.2 Android H264解碼

Android從4.1版本加入了H264視頻硬解碼API，其MediaCodec內(nèi)部封裝了openMax庫進(jìn)行多媒體硬解碼加速，openMax是一個(gè)開源、跨平臺(tái)的多媒體編解碼加速API[5]，包括openMax應(yīng)用層、openMax集成層、openMax開發(fā)層。其解碼h264的步驟包括:

1)通過MediaCodec.createDecoderByType(“video/mp4v-es”)創(chuàng)建H264解碼對象

2)mediacodec.configure(format,…..)配置H264解碼器的參數(shù)，包括圖像分辨率，視頻幀格式、H264視頻流的頭信息等

3)mediacodec.dequeueInputBuffer()獲取可用緩存指針，將接收的H264編碼拷貝到該緩存中，mediacodec.queueInputBuffer()將緩存送入解碼器的緩存隊(duì)列中

4)查詢等待解碼器完成，dequeueOutputBuffer()將解碼后的圖像緩存出隊(duì)，并通過Surafce顯示接口將圖像繪制到控制界面上

2.3 Linux控制進(jìn)程及無線視頻服務(wù)

OMAP4430開發(fā)板運(yùn)行Linux3.9.11操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好移植性等優(yōu)點(diǎn)。利用Andriod手機(jī)無線網(wǎng)卡創(chuàng)建一個(gè)AP熱點(diǎn)，OMAP4430 開發(fā)板的無線網(wǎng)卡將連接到AP上，二者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

控制進(jìn)程將創(chuàng)建一個(gè)TCP Socket服務(wù)端，等待Android應(yīng)用連接，同時(shí)打開無線藍(lán)牙串口設(shè)備/dev/ttyUSB0設(shè)備，設(shè)置串口屬性（115200波特率、8位數(shù)據(jù)、無校驗(yàn)等）。在連接建立之后循環(huán)接收Andriod發(fā)過來的控制命令并進(jìn)行命令解析處理，處理結(jié)果將通過藍(lán)牙串口發(fā)送給AVR單片機(jī)來控制移動(dòng)機(jī)械手。

無線視頻傳輸進(jìn)程將通過V4L2編程接口調(diào)用USB攝像頭采集1280*720視頻幀（采集速度為30幀每秒）。利用OMAP4430異構(gòu)多核處理在多媒體視頻編解碼強(qiáng)大運(yùn)算能力，通過libdce庫的engine_open()、engine_create()、viddce_control()、viddec_procees()函數(shù)創(chuàng)建H264編碼實(shí)例并通過RPMsg消息總線遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)處理核的IVA-HD的加速引擎來提高視頻編碼效率。為了減小網(wǎng)絡(luò)帶寬需求、提高無線傳輸效率，本次采用Baseline、 Level3.2編碼級別。最后將H264編碼緩存通過無線網(wǎng)卡Socket服務(wù)端發(fā)送到Android客戶端進(jìn)行解碼顯示?？刂七M(jìn)程和無線視頻傳輸進(jìn)程的流程如圖6、7所示：

3 測試

表2 無線視頻傳輸實(shí)時(shí)性測試

由于借助異構(gòu)多核處理器OMAP4430內(nèi)部的協(xié)處理核Cortex-M3和IVA-HD多媒體硬件引擎來實(shí)現(xiàn)H264編碼加速，因此本次720P無線視頻傳輸實(shí)時(shí)性較高，達(dá)到了28幀每秒。

4 結(jié)語

針對移動(dòng)機(jī)械手控制方式復(fù)雜，環(huán)境周圍信息獲取能力不足的缺點(diǎn)，采用Android手機(jī)為控制中心，搖桿手柄為輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)械手的可視化實(shí)時(shí)操作。同時(shí)利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器內(nèi)部協(xié)處理核Cortex-M3、IVA-HD 多媒體引擎加快720P H264視頻編碼效率，提高了無線視頻服務(wù)的實(shí)時(shí)性。實(shí)踐證明系統(tǒng)具有人機(jī)交互方式友好、控制簡單、多核間負(fù)債平衡、無線視頻服務(wù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。