單目視覺無線機(jī)器人行走控制的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 格，馬溪遙，戴圣偉

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

單目視覺無線機(jī)器人行走控制的設(shè)計與實現(xiàn)

徐 格，馬溪遙，戴圣偉

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對惡劣工作環(huán)境中，機(jī)器人操作復(fù)雜、視域不清等問題，提出單目視覺無線機(jī)器人控制設(shè)計方案。運用基于2.4 GHz頻段的手持遙控器對機(jī)器人的行走進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控，機(jī)器人通過攝像頭對所在環(huán)境進(jìn)行圖像采集，采用WiFi技術(shù)將圖像無線實時地傳輸?shù)绞謾C(jī)APP進(jìn)行顯示；同時，機(jī)器人也具有避障和防墜崖功能。實物模型運行結(jié)果表明，單目視覺解決方案是可行的，并且是有效的。

單目視覺；WiFi技術(shù)；遙控；行走控制；避障

0 引言

隨著人類對自然界的探索和認(rèn)識不斷擴(kuò)大，一些相對比較惡劣的工作環(huán)境不可避免地會出現(xiàn)，比如考古作業(yè)、火山探險、深海探索、核試驗場地作業(yè)、化學(xué)工廠等，工作人員的人身安全和身心健康面臨著巨大的威脅，有時甚至?xí)?dǎo)致死亡。

隨著科技工作者的不斷努力和科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，一些性能較為出色的機(jī)器人被研發(fā)出來。在很多危險的工作環(huán)境中無線小型智能機(jī)器人已經(jīng)用來代替人類完成人類無法完成的任務(wù)。例如，在2001年美國紐約世貿(mào)大廈坍塌的恐怖事件中，由于事發(fā)突然，有很多民眾被埋在廢墟之下。為了營救出更多的無辜市民，美國政府派出移動機(jī)器人進(jìn)入廢墟營救被困的受害者[1-2]。

從國外市場成長來看，無線小型智能機(jī)器人的應(yīng)用有著廣闊的前景，其中工業(yè)應(yīng)用是其主要的業(yè)務(wù)范圍。雖然對無線小型智能機(jī)器人的相關(guān)研究正在如火如荼地進(jìn)行，但是由于技術(shù)封閉和成本昂貴、組裝調(diào)試復(fù)雜、操作不易、視域不清等問題，無線小型智能機(jī)器人的應(yīng)用還未得到普及。如果制造成本和運營環(huán)節(jié)成本得以進(jìn)一步壓縮，市場將會得以進(jìn)一步拓展，無線小型智能機(jī)器人的應(yīng)用將得以普及，并給開發(fā)制造商帶來更大的利潤。手機(jī)端視頻顯示APP在專業(yè)市場上取代已有的電腦圖像顯示程序是未來的潮流所向，進(jìn)一步對手機(jī)端APP開發(fā)和簡化，使用戶界面更加友好、功能進(jìn)一步完善，將會有更多的工廠和企業(yè)使用無線小型智能機(jī)器人。

1 無線智能機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于單目視覺的無線智能機(jī)器人的框架設(shè)計包括STC12C5A60S2主控制器、電機(jī)驅(qū)動模塊、基于2.4 GHz頻段的手持遙控器模塊、圖像采集及無線圖像傳輸模塊和避障及防墜崖模塊和其外圍電路的設(shè)計。用戶可通過手持遙控器或手機(jī)端APP控制電機(jī)驅(qū)動模塊從而控制機(jī)器人的行走；圖像采集及無線圖像傳輸模塊將對機(jī)器人所在環(huán)境進(jìn)行圖像采集并基于WiFi網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)绞謾C(jī)端APP顯示；其攜帶的避障及防墜崖模塊可自動檢測前方障礙物，當(dāng)檢測到前方障礙物出現(xiàn)時，無線智能機(jī)器人將會強(qiáng)制停止行走并后退至安全距離。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 The overall system structure diagram

1.1 STC12C560S2主控制器

基于單目視覺的無線智能機(jī)器人選用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12CA5A60S2作為其主控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制。STC12C5A60S2系列單片機(jī)是低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換[3]。

1.2 手持遙控器模塊

無線智能機(jī)器人采用基于2.4 GHz頻段的手持遙控器，操作簡便，其硬件組成框架如圖2所示。手持遙控器包括以下模塊：STC12C5A60S2主控制器、電源電路、按鍵及搖桿電路和NRF24L01無線通信模塊。

圖2 手持遙控器的硬件組成框架圖Fig. 2 The hardware frame diagram of the handheld remote controller

1.2.1 電源電路設(shè)計

設(shè)計的電源電路采用LM1117系列中的5.0 V和3.3 V的2款電源降壓芯片[4]，手持遙控器使用的是航模專用的電池，電壓為7.4 V，工作狀態(tài)下實際輸出電壓為8.4 V，需降壓到5.0 V供STC12C5A60S2正常工作。此外，由于使用的NRF24L01無線通信模塊的工作電壓為3.3 V，所以需將5.0 V電壓進(jìn)一步降到3.3 V，其電源電路設(shè)計如圖3所示，其中，圖3a為8.4 V轉(zhuǎn)5.0 V電源電路，圖3b為5.0 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路。

圖3 手持遙控器電源電路圖Fig. 3 The power circuit diagram of handheld remote controller

1.2.2 NRF24L01無線通信模塊

為了實現(xiàn)手持遙控器和無線智能機(jī)器人之間的相互通信，選用2塊NRF24L01芯片進(jìn)行無線通信。NRF24L01是Nordic公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片。在使用時，只需要為主控制器預(yù)留5個I/O口、1個中斷輸入引腳，就可以很容易地實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為小型單片機(jī)系統(tǒng)添加無線通信功能[5]。

1.2.3 按鍵及搖桿電路

手持遙控器上配備有左右8個按鍵和左右2個搖桿電位器，用來控制小型智能機(jī)器人的行走控制及攝像頭拍攝角度。8個按鍵和主控芯片的8個I/O口一一相連；搖桿為一個電位器，當(dāng)搖桿沿電阻體在某一方向移動時，在電位器的輸出端即獲得與位移量成一定比例關(guān)系的電阻值或電壓，單片機(jī)通過自帶的8路10位A/D轉(zhuǎn)換對搖桿的輸出端的模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可得到數(shù)字量。具體連接電路如圖4，其中，圖4a為左按鍵，圖4b為右按鍵，圖4c為左搖桿，圖4d為右搖桿。

圖4 按鍵及搖桿電位器電路Fig. 4 Button and rocker potentiometer circuit

1.3 圖像采集及無線圖像傳輸模塊

本設(shè)計采用基于WiFi技術(shù)的圖像采集與無線圖像傳輸?shù)姆桨竅6]。攝像頭選用USB攝像頭模塊，無線路由器選擇了一款價格便宜且較穩(wěn)定的無線小型路由器。通過對路由器進(jìn)行進(jìn)一步的軟件改造，可以使其滿足對無線圖像傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

無線智能機(jī)器人選用BTN7971作為電機(jī)驅(qū)動模塊的驅(qū)動芯片。BTN7971是一個獨立的可通過高電流的半橋電機(jī)驅(qū)動芯片，它包含一個P溝道的高端MOSFET和一個N溝道的低端MOSFET[6]。

本電機(jī)驅(qū)動模塊采用2塊BTN7971芯片構(gòu)成大電流H橋驅(qū)動，2路PWM輸入能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)[7]。此外，采用74LS244作為3態(tài)8位緩存器用作總線驅(qū)動器，并與單片機(jī)5 V隔離，有效地保護(hù)單片機(jī)。此外，該模塊帶有2個舵機(jī)接口，方便驅(qū)動舵機(jī)。具體電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 BTN7971電機(jī)驅(qū)動模塊電路Fig. 5 The drive module circuit of BTN7971 motor

1.5 避障模塊

1.5.1 紅外防墜崖模塊

為了防止機(jī)器人前進(jìn)時墜入深坑，機(jī)器人需自動檢測前方路況，當(dāng)前方有深坑時，應(yīng)迅速后退防止墜落。為了實現(xiàn)該功能，本方案采用普通型的2路紅外避障模塊，由于防墜崖功能與避障功能的工作原理恰好相反且主控制器只能檢測下降沿或低電平，所以需要采用一個或非門采集2路信號并輸出一路信號送回至主控制器，這里選用四路兩輸入或非門芯片74HC02，其與兩路紅外避障模塊的連接電路圖如圖6所示。

圖6 74HC02或非門與兩路避障模塊連接電路Fig. 6 74HC02 NOR gate and two way obstacle avoidance module connection circuit

1.5.2 紅外避障模塊

當(dāng)無線智能機(jī)器人前進(jìn)時，若有障礙物阻擋時，機(jī)器人應(yīng)強(qiáng)制停止并后退到安全距離。為了實現(xiàn)這一功能，采用一路增強(qiáng)型紅外避障模塊，該增強(qiáng)型紅外避障模塊可提供調(diào)節(jié)范圍從3～100 cm的非接觸式測距功能，測距精度可達(dá)高到3 mm[8]。該模塊會自動持續(xù)地檢測前方是否存在障礙物，當(dāng)前方無障礙物時，該紅外避障模塊的OUT端輸出持續(xù)高電平；反之，當(dāng)前方有障礙物時，模塊上的紅色LED指示燈會發(fā)光，OUT端輸出持續(xù)低電平。主控制器一旦檢測到該低電平，將強(qiáng)制機(jī)器人自動后退到安全距離。

2 機(jī)器人的行走控制和無線圖像傳輸?shù)能浖O(shè)計

2.1 機(jī)器人行走控制的軟件設(shè)計

本行走控制程序從上電后開始執(zhí)行，先初始化主控制器的I/O口、中斷、定時器、串口和相關(guān)參數(shù)，然后初始化2塊NRF24L01無線通信模塊并嘗試互相通信實現(xiàn)匹配，如果不能成功匹配，將重復(fù)匹配直到成功。

當(dāng)系統(tǒng)和手持遙控器匹配成功后，無線智能機(jī)器人就按照用戶的行走控制指令行走，并且機(jī)器人攜帶的避障模塊會自動檢測前方障礙物并規(guī)避至安全距離外。其行走控制流程圖如圖7所示。

圖7 行走控制流程圖Fig. 7 Walking control flow diagram

2.2 無線圖像傳輸?shù)能浖O(shè)計

首先需要將O p e n w r t固件刷寫進(jìn)路由器，Openwrt類似于一個小型的Linux電腦系統(tǒng)，用戶可以方便地自定義功能來制作固件，也可以方便地移植實現(xiàn)各類功能的軟件到Openwrt固件中。要安裝和配置2個功能軟件：一個是ser2net軟件，它的功能是進(jìn)行串口通信，是上位機(jī)與下位機(jī)溝通的橋梁。其安裝過程為：使用winscp把ser2net.ipk傳到路由目錄，然后用putty登陸，執(zhí)行命令行opkg install ser2net.ipk安裝。另一個是mjpg-streamer，這個軟件可以把USB攝像頭的實時圖像進(jìn)行編碼，然后通過WiFi返回給上位機(jī)，這樣才能在上位機(jī)看到視頻。其安裝命令為opkg install mjpg-streamer，安裝完畢后，運行/etc/init.d/mjpg-streamer start就可以啟動了，并可以在路由器設(shè)置頁面設(shè)置視頻的各項參數(shù)。

3 實物模型的功能調(diào)試及實現(xiàn)

按照系統(tǒng)設(shè)計的整體框架，系統(tǒng)硬件采取模塊化設(shè)計，可獨立調(diào)試各個硬件模塊要實現(xiàn)的功能；最后將各個模塊拼接為整個系統(tǒng)，進(jìn)行整體調(diào)試，使系統(tǒng)功能得到實現(xiàn)。

3.1 機(jī)器人行走控制的實現(xiàn)

通過改變PWM的占空比來對后置電機(jī)（負(fù)責(zé)前進(jìn)和后退）調(diào)速以及對舵機(jī)進(jìn)行角度控制進(jìn)而實現(xiàn)無線智能機(jī)器人的行走控制且控制簡便。如圖8所示，無線智能機(jī)器人可以實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的行走控制，其中，圖8a為前進(jìn)，圖8b為后退，圖8c為左轉(zhuǎn)，圖8d為右轉(zhuǎn)。

圖8 無線智能機(jī)器人行走控制的實現(xiàn)Fig.8 The realization of wireless small intelligent robot move control

3.2 紅外避障模塊功能調(diào)試

分別設(shè)置增強(qiáng)型紅外模塊和2路普通型紅外模塊的檢測距離為20 cm和5 cm。當(dāng)無線智能機(jī)器人檢測到前方有障礙物，機(jī)器人會強(qiáng)制后退至安全距離外，如圖9所示。

3.3 圖像采集及無線圖像傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

機(jī)器人通過自身攜帶的攝像頭對周圍環(huán)境進(jìn)行圖像采集并通過基于無線小型路由器產(chǎn)生的WiFi網(wǎng)絡(luò)將圖像傳輸回手機(jī)端APP進(jìn)行顯示，圖像傳輸速率較快，圖像較為清晰，其傳輸圖像的過程如圖10所示。

圖9 避障功能的實現(xiàn)Fig. 9 The realization of obstacle avoidance function

圖10 圖像采集及無線圖像傳輸?shù)膶崿F(xiàn)Fig. 10 The realization of image acquisition and wireless image transmission

4 結(jié)語

針對惡劣工作環(huán)境中，機(jī)器人操作復(fù)雜、視域不清等問題，課題組提出單目視覺無線機(jī)器人控制設(shè)計方案。該設(shè)計方案對中短距離的通信有較強(qiáng)的指導(dǎo)價值，對小型機(jī)器人行走控制的改善設(shè)計有一定的借鑒意義[9]。

[1]Ye Changlong，Ma Shugen，Li Bin. Development of a Shape-Shifting Mobile Robot for Urban Search and Rescue [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，21 (2)：31-35.

[2]蔡自興，賀漢跟，陳 虹. 未知環(huán)境中移動機(jī)器人導(dǎo)航控制研究的若干問題[J]. 控制與決策，2002，17(4)： 385-390. Cai Zixing，He Hangen，Chen Hong. Several Issues of Mobile Robot Navigation in Unknown Environment Control Research[J]. Control and Decision，2002，17(4)：385-390.

[3]宏晶科技．STC12C5A60S2系列單片機(jī)指南[EB/OL]. [2015-03-27]. http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/ STC-AD-PDF/STC12C5A60S2.pdf. Hongjing Tech. STC12C5A60S2 Datasheet [EB/OL]. [2015-03-27]. http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc /STC-ADPDF/STC12C5A60S2.pdf.

[4]董 濤，劉進(jìn)英，蔣 蘇，等. 基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計與制作[J]. 計算機(jī)測量與控制，2009，17(2)：380-382. Dong Tao，Liu Jinying，Jiang Su，et al. Design and Realization of Intelligent MiniCar Based on Single Chip Control[J]. Computer Measurement & Control，2009，17 (2) ：380-382.

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[6]賈定宏，何智力，韋升俊. 基于單片機(jī)的無線遙控小車研制[J]. 硅谷，2010(12)：47. Jia Dinghong，He Zhili，Wei Shengjun. Development of Wireless Remote Control Car Based on Single Chip Microcomputer[J]. Silicon Valley，2010(12) ：47.

[7]劉 鑫，葛寶明. 基于單片機(jī)的雙步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運動控制器設(shè)計[J]. 電氣應(yīng)用，2007，26(3)：65-68. Liu Xin，Ge Baoming. Design of Two-Dimensional Harmonized Motion Controller Based on Micro Controller for Double Stepper Motors[J]. Electrotechnical Application，2007，26(3) ：65-68.

[8]戴圣偉，陳白帆，范紹成. 無線遙控智能車的控制研究[J]. 計算機(jī)測量與控制，2011，19(9)：2125-2127. Dai Shengwei，Chen Baifan，F(xiàn)an Shaocheng. Control and Study of Wireless Control System of Intelligent Vehicle[J]. Control and Decision，2011，19(9) ：2125-2127.

[9]戴圣偉，胡沁春，周 玉. 深海采礦車行走的專家模糊控制[J]. 控制與決策，2010，25(1)：141-144. Dai Shengwei，Hu Qinchun，Zhou Yu. Fuzzy Expert Control Over the Walking of the Deep-Sea Mining Vehicle [J]. Control and Decision，2010，25(1)：141-144.

（責(zé)任編輯：申 劍）

Design and Implementation of Moving Control of a Wireless Robot Based on Monocular Vision

Xu Ge，Ma Xiyao，Dai Shengwei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

For the problems of complex operation and unclear vision in harsh work environment, proposes a design scheme of wireless small intelligent robot based on monocular vision. Uses a hand-held remote controller based on 2.4 GHz spectrum to control the small intelligent robot moving, the robot acquires environmental images with camera and transmits the images real-time to the phone APP for displaying by WiFi technology. In addition, the robot also has the function of avoiding obstacle and anti falling off cliff. The physical model working results show that the monocular vision solution is feasible and effective.

monocular vision；WiFi technology；remote control；move control；obstacle avoidance.

TP274

A

1673-9833(2015)05-0067-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.014

2015-06-19

國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金資助項目（201411535005），湖南工業(yè)大學(xué)校級重點教改基金資助項目（2014A05）

徐 格（1995-），女，安徽合肥人，湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)生，主要研究方向為電氣工程及自動化，E-mail：490890554@qq.com

馬溪遙（1993-），男，河南洛陽人，湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)生，主要研究方向為電子信息工程，E-mail：495342566@qq.com