基于S3C6410目标搜索飞行器的设计与研究

基于S3C6410目标搜索飞行器的设计与研究摘要：应用嵌入式技术、无线传输技术和图像处理技术，设计目标搜索飞行器，为防灾救灾提供技术服务。系统包括手持终端和飞行器，采用ARM11架构的S3C6410微处理器，移植Linux操作系统。飞行器携带摄像头采集图像并压缩，通过wifi传输到手持终端，在本地的TFT液晶屏显示;同时手持终端向飞行器发送控制命令，飞行器根据命令控制自身的运动和摄像头的转动。实验结果表明，采集的图像清晰、命令执行及时可靠，能够较好地完成目标探测、搜索等任务。关键词：飞行器;目标搜索;无线通信;图像采集近年来大规模的灾难、事故频发，对人类的生命和财产造成极大危害，及时、有效地投入防灾救灾可大大降低灾害损失，研究高效的救援搜索设备具有特别重要的意义。随着科技的进步，新型技术成为救援的制胜法宝，尤其是飞行机器人技术。因具有灵活、重量轻、以及可深入危险区域工作等优势，搜索飞行器在灾后救援工作中起着越来越重要的作用，此类飞行器需要具备稳定的运动控制、采集多种环境信息、以及无线控制等功能。可见，搜索飞行器需考虑完成的功能多、涉及技术广、环境状态不确定等因素，因此存在设计难、可扩展性差、缺少丰富的通讯能力、研究成本高等问题。针对以上问题，文中根据飞行机器人系统的可扩展、可裁剪、以及互操作等特性，采用模块化方法设计并实现一个飞行机器人原型系统.通过无线通信实现飞行器控制及数据传输，以完成目标探测、搜索以及安全监控等功能。1目标搜索飞行器系统设计1.1硬件体系结构目标搜索飞行器须具备一定的飞行速度、低能耗、飞行稳定性、适应多样的环境探测，以及有悬停、垂直升降升能力。其中，飞行移动载体的结构简单，可省去复杂的机械设计，且运动速度快，可减少目标搜索时间。为此，采用四轮旋翼飞行方式，增强飞行器的移动能力。目标搜索飞行器包括手持控制终端和飞行机器人两部分，两者之间通过wifi无线通信方式传输图像和控制信息;飞行器利用携带的摄像头采集图像并进行压缩，通过wifi传输给手持终端，手持终端对接收到的图像进行解压后在本地的TFT液晶屏显示。用户可根据显示的图像信息，利用可视化触控界面向飞行器发送飞行控制命令，飞行器接收到控制命令后进行解析，然后据此命令调节电机驱动电路，控制直流电机的转动、启停，实现飞行器的前进、转向、升降、悬停等运动，同时飞行器的主处理器可控制摄像头180°的转动，以调整拍摄角度。语音模块可以在飞行器搜索到目标信息后进行报警提示。此外，飞行器上还带有超声测距、电子罗盘等传感器，在飞行的过程中通过这些传感器提供的信息自我调整飞行运动。手持终端和飞行器主控制板采用ARM11架构的S3C6410微处理器作为控制核心，软件上运行Linux操作系统，主要完成无线数据收发、图像数据处理、电机控制信号输出等功能。飞行器硬件体系结构如图1所示。1.2目标搜索功能模型在目标探测、搜索过程中，涉及的控制操作较多，各功能模块间的调用关系较复杂。为此，采用的UML进行模型分析，完成应用程序功能模型设计，建立系统操作用例图(Use—Case)。系统被抽象为操作员、飞行器和手持终端3部分，操作员通过操纵手持控制终端与飞行器进行对话。软件的应用程序功能模型如图2所示。飞行器系统主要完成以下功能：1)命令接收：接收控制终端的指令。指令分为基本指令和电机控制命令。前者控制电机驱动板输出;后者控制机器人基本行为，例如开始采集、停止采集等。2)数据发送：将采集到的数据通过无线网卡发送给手持式控制终端。3)信息采集：传感器探测包括图像、障碍物距离以及运行方向等信息。4)语音播报：飞行器搜索到目标时进行语音报警动作。5)运动控制：实现前进，转向，升降，启停等基本功能。2系统实现2.1电源为了使移动机器人运动方便，必须自带电源。其中，飞行器控制电路采用5V直流供电，电机驱动部分则需要12V直流供电，为了减少控制电路受到电机运动的干扰，采用独立供电方式。主控制板功率消耗较小，通过LDO芯片AMS1117、LM4040B、XC6206P122等来实现3.3V、3.0V及1.2V电压转换;而电机板功率消耗较大，为了提高使用效率，通过开关电源LM2576实现5V电压输出。电源转换电路如图3所示。2.2电机驱动电机驱动电路由H桥和光电隔离电路两部分组成，采用4片LMD18200H桥芯片实现飞行器的四路直流电机控制。为提高抗干扰性，主控芯片与电机驱动放大电路之间通过光电耦合器实现隔离。S3C6410从GPIO输出控制信号，经低速光耦TLP521光电隔离后输出给LMD18200，控制电机的启停;由于S3C6410的PWM输出信号频率较高，采用高速光耦6N137实现信号隔离，控制电机的运转速度。电机驱动电路如图4所示。2.3无线传输无线通信模块采用的是基于RT2571/RT73芯片的54MUSB无线网卡，符合IEEE802.11b和IEEE802.11g标准。手持控制终端和飞行器之间采用对等式(Ad—Hoc)的方式进行通信，配置双方的无线网卡的工作模式为对等式模式，在Linux操作系统下采用socket套接字建立TCP连接，实现图像和命令信息的交互。主处理器通过USB端口控制无线模块的数据收发。无线传输模块主要完成两个任务：1)手持式终端向飞行器发送控制命令;2)飞行器回传图像数据至手持终端。飞行器系统的软件设计采用了多任务并发方式执行，飞行器系统无线数据传输、处理的过程如下：1)发送流程：手持控制终端的QT界面获取操作人员的按键信息，并通过共享内存将按键值传给控制命令发送进程，该进程通过socket套接字，将命令信息发送给现场机器人的控制命令接收子进程，该进程对命令进行解析，通过调整四路PWM输出占空比，从而控制飞行器的运行。2)接收流程：现场机器人的图像采集子进程将采集到的图像进行压缩后通过socket套接字发送至手持控制终端，由图像接收子进程接收并对图像信息进行解压等处理，然后在本地液晶屏上进行显示。无线传输的软件工作框架如图5所示。手持控制终端作为客户端向现场飞行器服务器发送控制命令，所以要延时等待现场飞行器服务器的建立，当传输控制命令的C/S模式建立完成后，飞行器要作为客户端向手持控制终端发送图像信息，就必须延时等待手持式控制终端服务器的建立，等待传输图像信息的C/S模式建立，手持控制终端的套接字流程如图6(a)所示，现场机器人的套接字流程如图6(b)所示。2.4图像采集远距离搜索和探测目标时，通过监测图像判别是否搜索到目标，采用CMOS图像传感器OV6620实现图像采集。主处理器通过I2C接口初始化OV6620设置，外部中断接口连接芯片的场中断信号及行中断信号，8位数据端采集图像数据。图像数据的采集主要由场中断VSYNC信号标记一幅图像开始，行中断信号HREF标记一幅图像的每行的开始，信号PCLK则代表了每个像素点的时序。配置OV6620的为RGB565图像输出格式，根据液晶显示640*480采集图像数据，需要60万ByteRAM空间。基于ARM平台的图像采集模块的软件部分采用的是基于S3C6410硬件平台的V4L2视频驱动开发，V4L2子系统包括用户态，内核和硬件3个部分。用户空间负责为应用程序提供访问设备的接口，Video_core负责屏蔽底层硬件的差异，为应用程序提供统一的设备接口，Video驱动负责具体设备的初始化，配置不同型号的摄像头的采集过程。V4L2为Linux下的视频设备程序提供了一套接口规范，采用流水线的工作方式，遵循打开视频设备，设置格式，申请内存，处理数据，关闭设备的Linux字符驱动设计方式。Linux下OV6620摄像头驱动属于字符类设备，它能够像字节流一样被访问，且只能够顺序读写，OV6620摄像头的驱动流程如图7所示，系统首先加载驱动模块，匹配OV6620硬件设备，向系统中注册字符设备，通过I2C初始化摄像头寄存器，并分配相应的内存空间