基于视觉的危险环境探测小车研究与设计田凯摘要版

基于视觉的危险环境探测小车研究与设计1 绪论机器人作为人类 20 世纪最伟大的发明之一，在短短的 40 年内发生了日新月异的变化。无线遥控小车作为机器人的一种，也得到了长足的发展。在工业应用方面，智能小车可以代替人进入危险环境进行探测和工作，如进入矿井下测量有毒瓦斯浓度，进入辐射区域搜索辐射源，人只需在控制中心进行监控。利用导航技术、路径规划技术、多传感器信息融合技术，智能小车将更加智能化，应用更广。本文介绍了基于视觉的危险环境探测小车总体方案，并进行了核心器件的选择。对各功能模块进行了硬件和软件设计与实现，如电源模块、电机驱动模块、温湿度检测模块、空气质量检测模块、测速模块、路障检测模块、射频调制模块、无线通信模块等，并对各模块进行方案论证，合理的选择各模块器件以及实现电路。此外本设计做了硬件的安装并进行了整体的调试，给出了调试中出现问题的解决方法，完成了系统设计所要求的功能。2 基于视觉的危险环境探测小车的总体方案设计2.1 系统整体设计基于视觉的危险环境探测小车主要由主控制器、被控小车和图像显示终端组成。主控制器主要一方面向被控小车发送控制指令，另一方面接收被控小车传送回来的信息并显示。被控小车用于对危险环境的探测，车上的摄像头由两个舵机驱动，用于改变监控角度。另外，小车上还有危险环境检测传感器和温湿度传感器，用于对环境信息进行实时检测，小车四周的障碍物传感器用于向主机返回小车周边的路况信息。显示终端主要用于接收被控小车发出的视频信息并显示。其控制系统结构如图2-1。2.1.1 系统硬件设计本设计采用自顶向下的设计方法，将本系统的功能进行了合理的划分，使其每一部分分别完成较小的任务，形成应用系统常用的结构形式积木式结构框架，有利于功能的扩大和更换，能够增加了系统的灵活性。本设计主控制器采用ATmega16作为主控芯片，被控小车采用功能强大的MC9S12XS128单片机作为主控芯片。系统主机硬件框图如图2-2所示，被控小车硬件框图如图2-3所示。受 控 小 车显 示 终 端主 控 制 器图 2-1 基于视觉的危险环境探测小车系统结构图A T m e g a 1 6无 线 通 信 模 块键 盘 输 入声 音 报 警 模 块 液 晶 显 示图 2-2 基于视觉的危险环境探测小车主机硬件框图无线通信模块M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 障碍物检测传感器电机驱动电机转向舵机旋转编码器前轮摄像头水平转动驱动舵机摄像头垂直转动驱动舵机摄像头温湿度传感器空气质量检测传感器摄像头照明驱动电路高亮 L E D视频采集 射频调制 前级放大 宽带放大 发射天线A T 8 9 C 2 0 5 1单片机控制电路图 2-3 被控小车硬件框图2.1.2 系统软件设计系统主机软件流程框图如图 2-4 所示，从机软件流程图如图 2-5 所示。 设置系统模式和参数采集按键信息并处理开始系统初始化无线发送液晶显示无线接收结束图 2-4 主控制器软件流程图等待主控制器控制指令执行相应操作结束开始系统初始化采集传感器信息反馈给主机显示图 2-5 被控小车软件流程图本系统中，主控制器主要用于向被控小车发送控制命令，并接收小车传回来的危险环境温湿度、空气质量、小车电池电量、小车速度、小车周围障碍物等数据。主控制器接收到数据处理后并在液晶屏上显示出来。系统的主控制器采用 ATmega16作为主控芯片。3 系统硬件功能模块的设计与实现3.1 基础功能模块3.1.1 电源功能模块设计与实现本设计采用LM2596S 开关电压调节器构成系统的开关稳压电源，LM2596S 是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。本设计采用的是12V电压输入，5V电压固定输出模式。具体电路如图3-1。C120FL68HD5ES.34+VRINO/GUTBAM97图 3-1 电源电路图3.1.2 人机接口功能模块设计与实现1.输入功能模块在本系统中，输入功能模块用于用户控制被控小车的运动状态。其电路原理图如图 3-2 所示。上KP图 3-2 输入功能模块电路图2.输出功能模块本系统中，选用金鹏电子的 LCD128*64 汉字液晶作为输出显示界面。它能显示字母、数字、符号、中文字型及图形，足以满足本设计需要。另外，用一个 LED 指示灯来指示老年人拨打电话的状态。LCD128*64 液晶屏的电路原理图如图 3-3 所示。主机发送成功指示灯电路如图 3-4 所示，当主机数据发送成功后，指示灯亮，用来指示数据发送成功。LCD 128*64AKRSTEPBGNV03图 3-3 LCD128*64 接口电路图7上Q5图 3-4 通话指示灯电路图3.1.3 蜂鸣器报警模块设计与实现蜂鸣器报警模块主要用于在主控制器发出控制指令后，若被控制器返回控制成功指令，则蜂鸣器鸣叫两声。同时，若被控制器检测到危险气体浓度超标或者小车周围有障碍物，蜂鸣器会鸣叫五声。本模块选用大功率蜂鸣器，用于增强报警效果，主要用于系统各部分的报警，原理图如图 3-5 所示。 SpeakrR19KQ2805VCPD图 3-5 蜂鸣器报警电路图3.2 检测功能模块3.2.1 温湿度检测功能模块设计与实现由于系统既要对湿度进行测量，又要对温度进行测量，为了降低硬件和软件复杂度，节约成本，本设计采用 DHT11 温湿度传感器。 硬件电路如图 3-6 所示。 GN3ATH7图 3-6 温湿度传感器电路原理图3.2.2 空气质量检测功能模块设计与实现本文采用 MQ-2 作为危险气体检测功能模块的主元件。该元件具有以下特点。 1)在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度；2)对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高；3)长寿命、低成本；4)简单的驱动电路即可。其结构图如图 3-7 所示。图 3-7 MQ-2 结构图2. 信号调理电路危险气体检电路工作原理如图 3-8 所示。2413MQKR5W0kDN8VC67U9BSLEA.FOT图 3-8 MQ-2 可燃气体检电路原理图3.2.3 障碍物检测功能模块设计与实现因为在小车的前后都要加路障检测传感器，考虑成本，在本设计中选用红外线光电传感器。以透射式为例，如图 3-9 所示。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管阻值较大，通过电阻分压连接到比较器的反向输入端，低于正向输入端的电压，比较器输出端为高电平，发光二极管灭；反之，二极管亮。 1KR30456VC+28UADSWOT图 3-9 红外线发射与接收3.2.4 测速模块设计与实现通过速度检测，将小车当前速度反馈回来给控制器会很大程度上方便控制者的控制。通过实验与比较，本设计采用旋转编码器。将旋转编码器转轴与电机转轴以一定的齿轮比啮合。则电机每转一周，编码器便会输出固定的脉冲。这种方案精度最高，受外界环境影响最小。后轮的周长为 20.9cm，轮子每转动 2 圈，旋转编码器输出 11 个脉冲发送给单片机的内部计数器。如果想知道当前机器人的行驶速度，只要看在程序规定的时间内检测到的脉冲数即可求得。在实际程序设计中，设定的采集速度时间为 10ms，而不是 1s，因为 1s 的时间来采集当前速度周期太长，不能及时有效的对机器人行驶速度速进行控制。3.2.5 小车电池电量检测模块设计与实现在小车运行过程中，控制者必须实时监测小车电池电量，防止小车电池耗尽而无法从危险环境中回来。电量检测电路如图 3-10 所示。 7图 3-10 小车电池电量检测原理图3.3 驱动功能模块3.3.1 电机驱动模块设计与实现本设计中驱动模块包括前轮舵机驱动和后轮电机驱动两部分。本设计使用的驱动电机型号为 RS-380，工作电压 7.2V，空载电流为 0.5A，转速为 16200r/min。在工作电流为 3.3A，转速达到 1460r/min 时，工作效率最大，并采用 BTS7960B 作为机器人电机驱动芯片。其驱动电路如图 3-11 所示。如图所示，采用 2 个半桥智能功率驱动芯片 BTS7960B 组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。通过对下桥臂开关管进行频率为 25 kHz 的脉宽调制(PWM) 信号控制 BTS7960B 的开关动作，实现对电机的正反向 PWM 驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。 R31K4.C0uPMHDXEOVUTGNf56IS78B9_图 3-11 电机驱动电路图2.舵机驱动舵机工作原理如下：减速齿轮组由电机驱动，其输出轴带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角线性地转换为电压并反馈给控制线路板，然后控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，从而达到使伺服马达精确定位的目的，如图 3-12 示。控制 电路 直流电机 电位器齿轮组脉冲控制电压反馈-图 3-12 舵机控制框图舵机插头B 黑R 红W 白图 3-13 舵机插头图如图 3-13，当机器人转向时，微控制器向舵机的信号线发出 PWM 波，对其进行控制。为使小车的转向更加灵敏，迅速。本设计对舵机进行了以下系列的机械结构改进。(1) 舵机柄的长度加长到约为原来三倍。这样舵机轮转过相同的角度与没加长之前相比只需转过比较小的角度，也就是机器人转向的速度更快了，但也增加了舵机的转向负荷，甚至出现舵机里面齿轮损坏的情况。(2) 将舵机立起来放置，使舵机位于两轮的中心线上，同时把轮胎到舵机的连杆改为等长。这样改动之后，舵机左右转向时受力比较均匀，从而能