攝像機(jī)二自由度轉(zhuǎn)動遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

吳艷娟， 王 凱， 程閆斌， 王留濤， 王 健， 全宗祺

（天津理工大學(xué)a． 電氣電子工程學(xué)院；b． 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

0 引 言

攝像機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)云臺和智能云臺，軍用和航空舵機(jī)云臺控制穩(wěn)定性和控制精度都達(dá)到了很高的水平，被廣泛地運(yùn)用到坦克、導(dǎo)彈、火箭、無人機(jī)及各種飛行器等設(shè)備中［1-4］，在工業(yè)和民用方面應(yīng)用也越來越廣泛［5］。目前，無人駕駛智能車、無人值守智能變電站，無人值守智能倉庫、無人值守停車場和智能機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展受到極大關(guān)注［6-11］，攝像頭作為視覺系統(tǒng)，在一定程度上決定了機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性和可視性的能力，也體現(xiàn)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的效率或操控難度。目前在高精度智能機(jī)器上都會安裝有攝像頭，如果攝像頭是固定的，不能轉(zhuǎn)動，機(jī)器視覺的視野范圍就會受限，會存在很大的視覺死角，使用就會存在局限性。為進(jìn)一步提高智能化，需要對攝像頭的視覺范圍進(jìn)行調(diào)整，將采集的圖像信息進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制［12-14］。特別是對于在無人值守的工作環(huán)境或工作人員無法進(jìn)入的惡劣工作環(huán)境中的一些智能設(shè)備，更需要這種遠(yuǎn)程控制技術(shù)［15］。鑒于此，本文提出基于互聯(lián)網(wǎng)的攝像機(jī)自由轉(zhuǎn)動舵機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，研制出試驗(yàn)演示控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在客戶端對攝像頭二自由度轉(zhuǎn)動的舵機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可通過客戶端靈活控制智能機(jī)器的視覺范圍，解決了攝像頭固定不動視野范圍受限，以及因工作環(huán)境限制無法進(jìn)行現(xiàn)場操作等技術(shù)問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要組成部分包括執(zhí)行遠(yuǎn)程控制的客戶端、進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的互聯(lián)網(wǎng)、主控制器（包括全球廣域網(wǎng)（World Wide Web，Web）服務(wù)器、上位機(jī)和下位機(jī)）、執(zhí)行部件（包括攝像頭和舵機(jī)云臺）和電源等。

系統(tǒng)通過主控制器局域網(wǎng)與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。移動客戶端通過局域網(wǎng)與主控制器連接，可以接收主控制器發(fā)送的視頻圖像信息和云臺舵機(jī)當(dāng)前的位置信息，同時移動客戶端可以向主控制器發(fā)送控制命令改變云臺的姿態(tài)。主控制器的上位機(jī)解析接收到的數(shù)據(jù)，控制信號通過下位機(jī)驅(qū)動云臺舵機(jī)改變云臺姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)攝像頭視角的改變。主控制器也驅(qū)動顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行時的重要信息。系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計分成硬件和軟件設(shè)計兩個部分，硬件設(shè)計又分成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計兩部分，整個設(shè)計過程采用模塊化設(shè)計方法。

2 硬件設(shè)計

整體的硬件設(shè)計包括主控制器、攝像頭、舵機(jī)云臺、顯示設(shè)備等，如圖2 所示。攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)圖像信息采集功能，舵機(jī)云臺為攝像頭模塊轉(zhuǎn)動提供動力，圖像信息的傳輸和處理、客戶端控制命令數(shù)據(jù)的傳輸和解析及控制攝像頭轉(zhuǎn)動信息等均需要主控制器來控制。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要信息通過顯示屏顯示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 主控模塊

采用Raspberry Pi 3B +微型計算機(jī)為主控板，具有較強(qiáng)的硬件擴(kuò)展能力。Raspberry Pi 微型計算機(jī)搭載了無線網(wǎng)卡、Ethernet 網(wǎng)口、攝像頭串行接口（Camera Serial Interface，CSI）、40 管腳通用輸入與輸出（General-purpose input／ output，GPIO）等擴(kuò)展硬件，具有較強(qiáng)的硬件擴(kuò)展能力。在Raspbian 操作系統(tǒng)的配置界面中進(jìn)行使能攝像頭和內(nèi)置集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）總線初始化硬件接口。

2.2 外圍器件驅(qū)動模塊

由于主控制器件的GPIO 帶負(fù)載能力有限，外圍器件的驅(qū)動需要單獨(dú)的電源，以保證運(yùn)行穩(wěn)定和安全。并且外圍器件需要接口方便插拔調(diào)試、固定舵機(jī)和有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏等，因此為外圍器件附加了帶插拔接口的驅(qū)動板。驅(qū)動板原理圖如圖3 所示。5 V直流電源為舵機(jī)提供動力。舵機(jī)和OLED通過線纜連接到驅(qū)動板上的插頭母座。

圖3 驅(qū)動板原理圖

2.3 攝像頭云臺模塊及其機(jī)械結(jié)構(gòu)

采用Raspberry Pi配套CSI 接口高速率攝像頭模塊（Camera Module V2）采集圖像信息。為讓系統(tǒng)中攝像頭視覺范圍提升明顯，需要增加攝像頭在空間的自由度和每個自由度上的轉(zhuǎn)動范圍。搭建攝像頭云臺可以明顯提升攝像頭的視覺范圍。云臺的轉(zhuǎn)動動力來自型號為sg90g的舵機(jī)對外輸出的力矩。云臺的兩個自由度轉(zhuǎn)動軸相互垂直，舵機(jī)輸出軸為轉(zhuǎn)動軸。云臺機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，圖中2 個舵機(jī)分別控制云臺2 個軸的轉(zhuǎn)動。

2.4 顯示器模塊

系統(tǒng)運(yùn)行時有一些重要信息，但主要是文本信息，信息量較小。顯示該類信息的需求對顯示屏大小和色彩要求較低，采用OLED 顯示屏?xí)虞p薄，功耗更低，反應(yīng)速率更快。

2.5 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體硬件包括攝像頭云臺、微型計算機(jī)、外圍器件驅(qū)動板、OLED 顯示屏模塊。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的分布上，將攝像頭云臺設(shè)計為一個整體（見圖4），微型計算機(jī)和外圍器件驅(qū)動板組合成一個整體，OLED 顯示屏連接在外圍器件驅(qū)動板上。其中微型計算機(jī)和外圍器件驅(qū)動板組合后的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5 所示。共分為3層，最上層是支架板，其功能是風(fēng)扇支架和舵機(jī)云臺支架；中間一層為Raspberry Pi 3B +主控板；最下層為外圍器件驅(qū)動板，為系統(tǒng)舵機(jī)、OLED 顯示屏器件提供接口。

圖4 云臺機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 安裝組合圖

3 軟件設(shè)計

3.1 攝像頭腳本開發(fā)

攝像機(jī)模塊通過樹莓派板載CSI 連接器連接到Raspberry Pi上，CSI接口如圖6 主控電路板中紅線標(biāo)注所示。腳本主要采取循環(huán)緩存采集圖像文件的方法，實(shí)現(xiàn)了“流視頻技術(shù)”實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示效果，服務(wù)器會持續(xù)不斷地向客戶端推送圖像信息。

為了防止出現(xiàn)視頻畫面卡頓的現(xiàn)象，需要保證攝像機(jī)圖像信息的數(shù)據(jù)大小與網(wǎng)絡(luò)傳輸速率相匹配，因此，采用改變采集圖像信息時每一幀的大小和位置方法。在該腳本中對采集的圖像做了一個初始化，包括圖像的分辨率、圖像的水平和垂直翻轉(zhuǎn)，通過調(diào)整圖像數(shù)據(jù)的大小以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。

圖6 Raspberry Pi CSI總線接口

3.2 二自由度舵機(jī)控制的軟件設(shè)計

舵機(jī)是一種伺服電機(jī)，其輸出軸的位置可以不斷變化并可以保持。其結(jié)構(gòu)包括小型直流電動機(jī)、控制器、減速齒輪組、功率放大器、必要的固定器件以及外引線組成，采用閉環(huán)控制，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 舵機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文舵機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行位置控制，輸入的控制信號是給定舵機(jī)舵面位置的脈沖信號，通過與反饋環(huán)節(jié)電位器檢測的當(dāng)前舵機(jī)舵面位置脈沖信號進(jìn)行比較獲得偏差，控制器對偏差進(jìn)行調(diào)整后由功率放大器放大驅(qū)動直流電動機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動與直流電動機(jī)機(jī)械連接的減速齒輪組轉(zhuǎn)動，并且?guī)优c減速齒輪組輸出端相連接的同軸輸出軸轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，達(dá)到按照偏差調(diào)整舵機(jī)舵面位置的目的。其中，作為反饋環(huán)節(jié)的電位器與輸出軸相連，將檢測到的位置脈沖信號反饋給輸入端，與輸入信號作比較，以此實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)輸入信號（給定的位置脈沖信號）與電位器反饋的位置脈沖信號相同時，舵機(jī)就保持當(dāng)前位置。當(dāng)輸入信號與電位器反饋的位置信號不同時，舵機(jī)將會繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到到達(dá)指定位置停止并保持該位置。

舵機(jī)的控制信號需要周期為20 ms 的脈寬調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）脈沖信號，該脈沖高電平范圍為0． 5 ～2． 5 ms［16］，即占空比范圍為2． 5% ～12． 5%，不同占空比的PWM 脈沖對應(yīng)著舵機(jī)不同的位置0 ～180°。通過Raspberry Pi產(chǎn)生指定的PWM脈沖作為舵機(jī)的控制信號。舵機(jī)控制效果是線性的，但在實(shí)際使用過程中，由于生產(chǎn)舵機(jī)個體之間零部件的差異、減速齒輪的磨損、負(fù)載的變化等影響因素的存在，舵機(jī)的機(jī)械特性并非是嚴(yán)格線性的。為在實(shí)際控制過程中精確的控制舵機(jī)的位置角度，本文對實(shí)際的舵機(jī)機(jī)械特性做了線性矯正。矯正方法是采用實(shí)際測量數(shù)據(jù)擬合的方法，根據(jù)測試數(shù)據(jù)獲得控制攝像頭左右轉(zhuǎn)動的1 號舵機(jī)和控制攝像頭上下轉(zhuǎn)動的2 號舵機(jī)擬合公式：

式中：y為占空比；x為轉(zhuǎn)動位置。波形如圖8 所示，R2為擬合系數(shù)。攝像機(jī)二自由度轉(zhuǎn)動控制軟件設(shè)計流程圖如圖9 所示。

圖8 舵機(jī)擬合機(jī)械特性

圖9 舵機(jī)控制腳本程序流程圖

3.3 Web服務(wù)器的設(shè)計

本設(shè)計采用在主控微型計算機(jī)Raspberry Pi 上搭建Flask Web 服務(wù)器的方法，編寫Web 應(yīng)用程序（Application ，APP），建立與客戶端的通信，實(shí)現(xiàn)圖像信息的發(fā)送和控制信號的接收和處理。所編寫的Web程序以Flask 路由功能為核心，建立與硬件腳本的聯(lián)系，接收到客戶端的命令后，通過相應(yīng)的路由調(diào)用函數(shù)控制硬件來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的交互。核心程序控制框圖如圖10 所示。

圖10 Web程序流程圖

程序運(yùn)行啟動后，會一直詢問8080 端口是否有局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端訪問。當(dāng)Web 服務(wù)器與客戶端建立連接后，服務(wù)器會發(fā)送數(shù)據(jù)包給瀏覽器客戶端，瀏覽器把接收到的數(shù)據(jù)解析成圖形界面給用戶。同時服務(wù)器會啟動攝像頭模塊的腳本，并不間斷向客戶端發(fā)送圖像信息，客戶端用戶可以看到實(shí)時的流視頻。客戶端上服務(wù)器傳回的頁面中除了采集的圖像信息，還有舵機(jī)的控制按鈕和舵機(jī)位置顯示的信息。用戶通過操作舵機(jī)的控制按鈕，向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器在接收到舵機(jī)的控制請求時，啟動控制舵機(jī)的腳本。腳本運(yùn)行后控制舵機(jī)改變安裝有攝像頭的二自由度云臺位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)控制攝像頭云臺。舵機(jī)控制腳本停止后，服務(wù)器將腳本返回的舵機(jī)位置參數(shù)打包成Java 腳本對象簡譜（JavaScript Object Notation，JSON）數(shù)據(jù)格式推送給客戶端。

3.4 Web前端開發(fā)

前端網(wǎng)頁的開發(fā)集成超文本鏈接標(biāo)示語言（Hypertext Markup Language，HTML）、層疊樣式表（Cascading Style Sheets ，CSS）、Java 腳本以及Ajax 等語言，共同實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器交互過程中網(wǎng)頁站點(diǎn)的搭建，利用Ajax異步刷新技術(shù)實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)頁動態(tài)刷新、實(shí)時圖像信息和舵機(jī)當(dāng)前時刻位置信息的顯示。

4 功能測試

本系統(tǒng)在開發(fā)時接入了鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器，可以直觀地查看系統(tǒng)的信息，通過自發(fā)光24． 384 mm 的OLED顯示屏顯示系統(tǒng)的信息。利用Luma． oled 庫編寫驅(qū)動OLED的腳本，通過OLED 顯示屏顯示本系統(tǒng)服務(wù)器地址、隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory，RAM）使用情況和中央處理器（Central Processing Unit，CPU）溫度信息。運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。

根據(jù)整體功能需求，系統(tǒng)上電后，需要自啟動的腳本程序是Flask服務(wù)器APP和OLED驅(qū)動腳本。本文采用配置桌面自啟動腳本的方法實(shí)現(xiàn)腳本程序的自啟動。

圖11 OLED運(yùn)行結(jié)果

在完成系統(tǒng)的設(shè)計后，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試的結(jié)果運(yùn)行正常，所有功能均能正常實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電后，開機(jī)指示燈閃爍，正常運(yùn)行后系統(tǒng)的OLED屏幕點(diǎn)亮，信息顯示完整。并通過OLED顯示屏上顯示的網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址，使用同局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端訪問系統(tǒng)搭建的服務(wù)器：①流視頻傳輸正常；②通過網(wǎng)頁控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，舵機(jī)響應(yīng)正常，如圖12 所示；③網(wǎng)頁及時反饋舵機(jī)位置并正常顯示，客戶端的前端頁面顯示如圖13 所示。通過對系統(tǒng)的測試，檢驗(yàn)系統(tǒng)功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

圖12 攝像機(jī)試驗(yàn)演示機(jī)

圖13 系統(tǒng)測試時前端頁面顯示

點(diǎn)擊圖13 所示頁面中的按鈕時，客戶端向服務(wù)器發(fā)出POST 請求，請求的內(nèi)容為對舵機(jī)控制的數(shù)據(jù)。當(dāng)POST請求成功時，獲取服務(wù)器返回舵機(jī)位置數(shù)據(jù)，對POST請求返回的數(shù)據(jù)解析，并將結(jié)果進(jìn)行計算，得出二自由度舵機(jī)的位置，通過Java 腳本刷新顯示舵機(jī)位置的狀態(tài)條，在網(wǎng)頁中直觀的展示舵機(jī)的位置。

5 結(jié) 語

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了自由轉(zhuǎn)動攝像頭舵機(jī)控制系統(tǒng)，以微型計算機(jī)Raspberry Pi 為核心搭建Web 服務(wù)器，移動智能設(shè)備客戶端通過訪問該服務(wù)器，可以查看攝像機(jī)采集的實(shí)時畫面，并實(shí)時控制攝像機(jī)的舵機(jī)云臺二自由度轉(zhuǎn)動攝像頭，擴(kuò)大攝像頭的視野范圍。

本設(shè)計通過局域網(wǎng)內(nèi)的移動智能設(shè)備客戶端連接本系統(tǒng)，用戶在移動設(shè)備客戶端收到系統(tǒng)傳送的實(shí)時視頻，并通過網(wǎng)頁控制舵機(jī)，舵機(jī)能正確地響應(yīng)客戶端的控制，網(wǎng)頁中舵機(jī)位置狀態(tài)欄也能正確反映舵機(jī)的實(shí)際位置。本系統(tǒng)主控板板載的通信串口較多，硬件接口豐富，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，可以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的組合或者本系統(tǒng)的拓展，具有較強(qiáng)的兼容性和較大的開發(fā)意義。