基于ARM的小型湖面漂浮物清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)

劉溯奇，蔣正鋒，陸偉艷

(廣西民族師范學(xué)院，崇左 532200)

1 引言

近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始從制造業(yè)向非制造領(lǐng)域擴(kuò)展，比如宇宙探索、海底探查、管道鋪設(shè)和檢修、醫(yī)療、軍事、服務(wù)、娛樂(lè)等方面。從而基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境、極限環(huán)境下的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究已成為機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展從來(lái)離不開(kāi)其他技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)就是其中之一，而嵌入式系統(tǒng)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展最快和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，人們稱(chēng)之為后PC時(shí)代。近年來(lái)，由于嵌入式處理器的高度發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在體積、價(jià)格、功耗、性能、穩(wěn)定性等方面有明顯的突出優(yōu)勢(shì)，因此，機(jī)器人無(wú)論從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是機(jī)器人的智能程度等方面都得到了很大提高。所以，研究機(jī)器人及其控制系統(tǒng)，嵌入式技術(shù)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用［1］。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，在人們物質(zhì)生活水平不斷提高的同時(shí)，環(huán)境也遭受了越來(lái)越多的污染，人類(lèi)賴(lài)以生存的水資源也不例外。水面污染對(duì)人類(lèi)的水源構(gòu)成很大的威脅，湖泊尤其是旅游勝地和市內(nèi)人工湖泊，更是無(wú)法逃避漂浮物污染的厄運(yùn)，舉目可見(jiàn)各種日常消費(fèi)品的包裝物在湖面上漂浮。污染的加劇需要根治，但是，水面污染的治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱難的任務(wù)，是全人類(lèi)必須面對(duì)的共同問(wèn)題。用人工清理水面漂浮物只是權(quán)宜之計(jì)，有些危險(xiǎn)水域人工是無(wú)法勝任的。因此，設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的小型湖面漂浮物清掃機(jī)器人，用于完成這一工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、適應(yīng)性和實(shí)用性強(qiáng)，具有較深遠(yuǎn)的理論意義和應(yīng)用推廣價(jià)值［2］。

2 清掃機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

小型湖面漂浮物清掃機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，該方案總體來(lái)說(shuō)，可分為兩部分:一部分是清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)。它由船體、尾部的回收拖網(wǎng)、在水面上行走的一對(duì)驅(qū)動(dòng)輪以及對(duì)應(yīng)的一對(duì)直流電機(jī)構(gòu)成機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，并在本體結(jié)構(gòu)上搭載了硬件控制系統(tǒng)(ARM11)和多種傳感器等相關(guān)設(shè)備，如USB 攝像頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板、WiFi 模塊等。第二部分是以無(wú)線路由器為中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該部分主要由帶寬較大、傳輸速率較高和傳輸距離達(dá)500m 之遠(yuǎn)的無(wú)線路由器，具有無(wú)線網(wǎng)卡、安裝有監(jiān)控軟件、便于攜帶的遠(yuǎn)程控制用筆記本電腦，一端通過(guò)有線方式連接到無(wú)線路由器的上行端口、另一端通過(guò)其他途徑連接到Internet的有線路由器，多臺(tái)接入Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)所組成。其目的是通過(guò)有線和無(wú)線傳輸通道實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，并獲取機(jī)器人采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像，以便進(jìn)一步觀察和決策，最終完成湖面漂浮物垃圾的清理工作。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖

3 清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)主要完成遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令識(shí)別，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)時(shí)采集機(jī)器人周?chē)囊曨l圖像，然后通過(guò)WiFi 信道傳輸給遠(yuǎn)程控制機(jī)等。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊化劃分，本系統(tǒng)可劃分為以下六大模塊:視頻圖像采集模塊(USB 攝像頭);人機(jī)交互模塊;USB 接口的WiFi 模塊;程序下載模塊;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊。各模塊之間的關(guān)系如圖2 所示。

3.1 核心控制板和視頻采集模塊

核心控制板模塊采用FriendlyARM 公司的Tiny6410開(kāi)發(fā)板［3］，該開(kāi)發(fā)板外圍接口比較完備，引出了很多I/O、數(shù)據(jù)和地址總線，適合二次開(kāi)發(fā)。

視頻采集模塊采用的是包含中星微公司ZC0301P 芯片的USB 攝像頭，ZC0301P 芯片內(nèi)部集成了CMOS的圖像感光芯片、JPEG 硬件壓縮引擎和USB 設(shè)備控制接口，可通過(guò)它采集得到壓縮了的MJPEG 格式的視頻流數(shù)據(jù)，并可由USB 接口傳輸?shù)絻?nèi)存進(jìn)行處理。

圖2 硬件控制系統(tǒng)(ARM11)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 電源模塊和WiFi 模塊

系統(tǒng)需要兩種電源，分別是5V，12V。5V 電源用于核心板供電，12V 電源主要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電。為了避免引起干擾，需要設(shè)計(jì)電源模塊，因此選用了開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576 作為電壓變換核心器件，它能承受最大達(dá)3A的電流輸出。整個(gè)機(jī)器人所需的能量由12V 電瓶提供。

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無(wú)線網(wǎng)卡TL－WN321G+，采用Ralink 公司的RT73 芯片，無(wú)線傳輸速率高達(dá)54Mbps，傳輸距離可達(dá)100～300m，能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)遙控距離的要求。

3.3 程序下載模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

程序下載模塊主要完成啟動(dòng)程序和應(yīng)用程序的下載，本系統(tǒng)提供兩種下載方式，并口下載和串口下載。并口下載通過(guò)并口線與JTAG 調(diào)試接口連接完成PC 與S3C6410的通訊，串口下載通過(guò)RS232 串口線連接電路板上COM 口與PC 進(jìn)行通訊［4］。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是機(jī)器人的重要組成部分，它和電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪組成機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成機(jī)器人的向前、向后、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

由于直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制功能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性等，因此廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)采用的是1 片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，采用PWM 調(diào)速原理控制直流電機(jī)達(dá)到控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

L298N 可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間分別接2個(gè)電機(jī)。IN1 與IN2，IN3與IN4 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)［5］。為了消除電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)硬件控制系統(tǒng)(ARM11)的干擾，從控制板的控制引腳出來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)1 片TLP521－4的4 路光電耦合器信號(hào)隔離，通過(guò)脈寬調(diào)制控制光電耦合器的開(kāi)關(guān)達(dá)到控制L298N 驅(qū)動(dòng)芯片，并達(dá)到控制電機(jī)按照所需的速度運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分:一是遠(yuǎn)程控制端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，主要工作是發(fā)送控制命令，遠(yuǎn)程控制清掃機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和作業(yè)工作等動(dòng)作，并控制清掃機(jī)器人開(kāi)啟USB 攝像頭采集機(jī)器人周?chē)虻囊曨l信息，通過(guò)WiFi 無(wú)線信道傳回到控制端并顯示。二是清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，主要包括操作系統(tǒng)移植、WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅(qū)動(dòng)移植、視頻采集程序的實(shí)現(xiàn)、視頻服務(wù)器的構(gòu)建、電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等工作。

4.1 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)移植包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、內(nèi)核裁剪、配置與編譯、根文件系統(tǒng)的制作與移植等。引導(dǎo)加載程序負(fù)責(zé)上電時(shí)初始化目標(biāo)板，裝載內(nèi)核到內(nèi)存，把引導(dǎo)參數(shù)傳遞給內(nèi)核，然后執(zhí)行內(nèi)核。在內(nèi)核裁剪和配置時(shí)，需要保證系統(tǒng)的功能，然后保證

支持硬件電路正常工作。

4.2 WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅(qū)動(dòng)程序移植

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無(wú)線網(wǎng)卡TL－WN321G+，Linux－2.6.36 內(nèi)核提供了對(duì)該模塊的支持，因此，配置內(nèi)核的時(shí)候，選上該模塊驅(qū)動(dòng)即可。

視頻采集模塊采用的是USB 攝像頭，用于完成清掃機(jī)器人周邊水域的視頻采集，傳回到遠(yuǎn)程控制端后，可人工判別湖面漂浮物的所在位置。由于Linux－2.6.36 內(nèi)核已包含萬(wàn)能USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)，所以在配置內(nèi)核的時(shí)候，選上該模塊驅(qū)動(dòng)即可。

4.3 視頻采集程序的實(shí)現(xiàn)

Linux 下的視頻采集是基于Video4Linux(V4L)或Video4Linux2(V4L2)提供的接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。V4L 或V4L2是Linux 中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。在應(yīng)用程序中可利用V4L 或V4L2 結(jié)合I/O 控制函數(shù)如open、read、write、close、內(nèi)存映射等來(lái)操作攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，隨后可進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。

4.4 視頻服務(wù)器的構(gòu)建

視頻采集完成之后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制端計(jì)算機(jī)的瀏覽器，遠(yuǎn)程控制端就可以通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)了解機(jī)器人周?chē)蚯闆r。為了完成該功能，需要實(shí)現(xiàn)嵌入式web 服務(wù)器構(gòu)建和視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)。Web 服務(wù)器建立，采用的是thttpd 服務(wù)器，它是多任務(wù)的http 服務(wù)器，支持認(rèn)證和CGI 程序，對(duì)其進(jìn)行配置和編譯，并集成到Linux 操作系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的視頻服務(wù)端軟件和應(yīng)用軟件。

4.5 電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Linux 操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)有固定的模式，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數(shù)，如open、read、write、ioctl 等，并填充file_operations的各個(gè)域。編寫(xiě)好之后，可以以模塊的形式或直接編譯進(jìn)內(nèi)核的方式，使Linux 內(nèi)核支持對(duì)電機(jī)模塊的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用WiFi 技術(shù)，以無(wú)線路由器為組網(wǎng)中心節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，將小型湖面漂浮物清掃機(jī)器人和無(wú)線遠(yuǎn)程控制PC 機(jī)等接入網(wǎng)絡(luò)中。通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程控制PC 機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制界面，可向機(jī)器人發(fā)出采集視頻圖像的指令，并可通過(guò)WiFi 信道傳回來(lái)的視頻圖像，判斷漂浮物的方向和所在位置，然后發(fā)出行走指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到漂浮物處，收集湖面垃圾。經(jīng)不同湖面的多次實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)傳輸信息穩(wěn)定可靠，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，收集垃圾效率高，通過(guò)采用大功率的無(wú)線路由器，其最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)500 米左右。因此，該機(jī)器人及其構(gòu)建的系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］郝衛(wèi)東，陳亮，曹德新.基于嵌入式技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(2):30－34.

［2］張蕾蕾.湖面清掃智能機(jī)器人的控制［D］.沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué)，2008.3.

［3］廣州友善之臂計(jì)算機(jī)科技有限公司.Mini6410 用戶手冊(cè)［EB/OL］.http://www.arm9.net/mini6410－ um.asp/ Mini6410 用戶手冊(cè).pdf，2010.

［4］劉溯奇，郝衛(wèi)東，林添成，等.基于嵌入式的視覺(jué)巡線機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2008，15(2):94－96.

［5］S.T.Corp.L298N UserManual［EB/OL］.http://www.st.com/internet/analog/product/ 63147.jsp/L298N.pdf，2000.