遠(yuǎn)程遙控移動機械手的可視化實時控制※

賴梓昌，楊斌

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031）

引 言

隨著社會生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機械手的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從自動化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機械手已成為高科技領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略產(chǎn)品。然而，就目前的機械手技術(shù)水平而言，機械手在信息的獲取、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，機械手的能力更顯不足[1]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來、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)，促進(jìn)了移動機械手向更加智能化方向發(fā)展。本文以TI公司的OMAP4430異構(gòu)多核處理器[2]為核心，Android手機為控制終端，實現(xiàn)了一款基于搖桿手柄操作的可視化移動機械手。

1 硬件平臺

本次設(shè)計的可視化遠(yuǎn)程遙控移動機械手硬件部分主要分為OMAP4430開發(fā)板、Android手機、車體及機械手馬達(dá)3部分。

1.1 OMAP4430開發(fā)板

OMAP4430是TI公司的異構(gòu)多核處理器，其內(nèi)部主要包括4個處理引擎：基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1 GHz雙核處理器，可編程多媒體硬件加速引擎IVA-HD及協(xié)處理器核Cortex-M3，高性能的圖像顯卡Power SGX540及提供圖像視頻并行計算的ISP。其中IVA-HD多媒體加速引擎[3]內(nèi)部有7個針對各種視頻編解碼而設(shè)計的加速引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)對720P視頻的實時編解碼。其內(nèi)部示意圖如圖1所示。

1.2 Android平臺

Android是一個以Linux為基礎(chǔ)的開放源代碼移動設(shè)備操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備，由Google成立的Open Handset Alliance持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)中。Android具有開源性和良好的可移植性，成為目前全球第一大智能手機操作系統(tǒng)。本設(shè)計中的Android手機采用聯(lián)發(fā)科Cortex-A7處理器，支持無線網(wǎng)卡AP熱點，支持H264硬解碼。

圖1 OMAP4430內(nèi)部引擎示意圖

1.3 移動機械手

移動機械手由運動小車和機械手組成，運動小車負(fù)責(zé)地面移動，機械手通過旋轉(zhuǎn)6個馬達(dá)關(guān)節(jié)來完成捉取地面目標(biāo)任務(wù)。

1.3.1 移動小車

小車?yán)酶咝阅蹵Tmega128L芯片［4］，通過傳感器采集當(dāng)前的狀態(tài)及驅(qū)動DC馬達(dá)進(jìn)行移動。ATmega128L單片機為基于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)行時間，ATmega128L單片機的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，小車采用4輪驅(qū)動車輪形成移動機器人，配有4個DC直流馬達(dá)及多種傳感器，具有卓越的旋轉(zhuǎn)能力和可靠的穩(wěn)定性。小車運動控制框架如圖2所示。

圖2 小車運動控制框架圖

1.3.2 機械手

機械手由6個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時反饋、內(nèi)部溫度或力矩超出范圍時給予警告提示等優(yōu)點。第一個馬達(dá)的關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)機械手360°旋轉(zhuǎn)，第二個關(guān)節(jié)同時控制兩個馬達(dá)，這個關(guān)節(jié)在提起和放下物體時提供了所需的扭矩，因此通過控制這兩個馬達(dá)補充扭矩大小的不足，而第3和第4個馬達(dá)提供了機械手捉取目標(biāo)時前伸和后縮所需的力矩，第5個馬達(dá)則是手腕旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，用于旋轉(zhuǎn)最后一個馬達(dá)的空中角度，最后一個馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)將推動夾子張開和閉合來捉取地表目標(biāo)。通過這6個馬達(dá)的機械臂，可完成向所有方向移動并進(jìn)行多樣化的動作。

1.4 系統(tǒng)硬件框架

系統(tǒng)硬件框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括Android手機應(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、AVR單片機程序設(shè)計，系統(tǒng)軟件框架如圖4所示。

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

圖4 系統(tǒng)軟件框架圖

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手機建立通信，它主要負(fù)責(zé)接收Android平臺發(fā)過來的控制命令，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，控制移動機械手的運動和馬達(dá)操作。利用OMAP4430在視頻編解碼上的強大優(yōu)勢，USB攝像頭采集720P分辨率的視頻幀，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手機進(jìn)行顯示。而底端AVR單片機則負(fù)責(zé)接收OMAP4430發(fā)過來的控制命令來操作4個直流電機進(jìn)行運動，同時將通信數(shù)據(jù)解析為機械馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度及角度。

2.1 移動機械手單片機軟件實現(xiàn)

移動機械手的控制核心為ATmega128L單片機，其內(nèi)部通過時鐘產(chǎn)生變換PWM來控制4個DC電機旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)機械手的移動。內(nèi)部有兩個UART串口，分別連接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，包括初始化時鐘定時器、端口輸入輸出初始化、設(shè)置LED控制寄存器等。

②打開藍(lán)牙串口與AX-12通信串口，設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗、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。如果為運動控制參數(shù)，通過PWM＿change（）修改PWM來控制機械手運動方向，如果為機械手設(shè)置參數(shù)，通過Ctrl＿Array＿M(jìn)T（）設(shè)置每個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。機械手動作控制命令如表1所列。

表1 移動機械手操作命令

2.2 Android應(yīng)用軟件設(shè)計

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，Linux內(nèi)核已經(jīng)包括其驅(qū)動程序。手柄的水平豎直搖桿事件和按鍵事件都將觸發(fā)Main Activity的on KeyDown（）函數(shù)和onGeneric MotionEvent（）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。其參考代碼略——編者注。

2.2.2 Android H264解碼

Android在4.1版本加入了H264視頻硬解碼API，其MediaCodec內(nèi)部封裝了open Max庫進(jìn)行多媒體硬解碼加速。open Max是一個開源、跨平臺的多媒體編解碼加速 API[5]，包括 open Max應(yīng)用層、open Max集成層、open-Max開發(fā)層。其解碼H264的步驟略——編者注。

2.3 Linux控制進(jìn)程及無線視頻服務(wù)

OMAP4430開發(fā)板運行Linux3.9.11操作系統(tǒng)，具有實時性強、移植性好等優(yōu)點。利用Andriod手機無線網(wǎng)卡創(chuàng)建一個AP熱點，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TCP Socket服務(wù)端，等待Android應(yīng)用連接，同時打開無線藍(lán)牙串口設(shè)備/dev/tty-USB0，設(shè)置串口屬性（115 200波特率、8位數(shù)據(jù)、無校驗等）。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單片機來控制移動機械手。

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1 280×720視頻幀（采集速度為30 fps）。利用OMAP4430在多媒體視頻編解碼強大運算能力，通過libdce庫的engine＿open（）、engine＿create（）、viddce＿control（）、viddec＿procees（）函數(shù)創(chuàng)建 H264編碼實例并通過RPMSG消息總線[6]遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)處理器核的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[7]。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[8]。控制進(jìn)程和無線視頻傳輸進(jìn)程的流程如圖5、圖6所示。

圖5 控制進(jìn)程流程

圖6 無線視頻服務(wù)流程圖

由圖7、圖8可知移動機械手可以完成捉取地面目標(biāo)的任務(wù)，且Android控制界面可以實時顯示機械手操作畫面。由于借助OMAP4430內(nèi)部的協(xié)處理器核Cortex-M3和IVA-HD多媒體硬件引擎來實現(xiàn)H264編碼加速，因此本次720P無線視頻傳輸實時性較高，達(dá)到了28 fps。實驗測試數(shù)據(jù)如表2所列。

圖7 機械手操作示意圖

圖8 Android控制界面

表2 無線視頻傳輸實時性測試

結(jié) 語

針對移動機械手控制方式復(fù)雜、環(huán)境周圍信息獲取能力不足的缺點，采用Android手機為控制中心，搖桿手柄為輸入設(shè)備實現(xiàn)了移動機械手的可視化實時操作。同時利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器內(nèi)部協(xié)處理器核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)的實時性。實踐證明，系統(tǒng)具有人機交互方式友好、控制簡單、多核間負(fù)債平衡、無線視頻服務(wù)實時性強等優(yōu)點。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]劉宇紅，張明路，孟憲春，等.移動機械手的穩(wěn)定性及補償方法現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008（2）：5-7.

[2]Texas Instruments.OMAP4430 Multimedia Device Silicon Revision 2.0 [EB/OL].[2014-07].http：//focus.ti.com/pdfs/wtbu/OMAP4430＿ES2.0＿Public＿TRM＿vJ.pdf.

[3]Texas Instruments.Ducati For Dummies[EB/OL].[2014-07].http：//omappedia.org/wiki/Ducati＿For＿Dummies.

[4]李玉娟，王琪.基于ATmega128L的智能探測車的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007（3）：42-44.

[5]沈永增，李曉鳳，吳冬林.Android下Open Max IL框架的研究和應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件，2012（8）：265-268.

[6]Texas Instruments.Design Overview-RPMsg[EB/OL].[2014-07].http：//www.omappedia.org/wiki/Design＿Overview＿-＿RPMsg.

[7]朱坤旺，傅文淵，凌朝東.低功耗 H.264 Baseline解碼IP核設(shè)計[J].華僑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（3）：280-283.

[8]李洪輝，劉志勤.GPU在Android顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J].計算機工程與設(shè)計，2013（12）.