劉溯奇，蔣正鋒，陸偉艷

(廣西民族師范學院，崇左 532200)

1 引言

近年來，機器人技術的應用開始從制造業(yè)向非制造領域擴展，比如宇宙探索、海底探查、管道鋪設和檢修、醫(yī)療、軍事、服務、娛樂等方面。從而基于非結(jié)構環(huán)境、極限環(huán)境下的先進機器人技術及應用研究已成為機器人技術研究和發(fā)展的主要方向。機器人技術的發(fā)展從來離不開其他技術的發(fā)展，計算機技術就是其中之一，而嵌入式系統(tǒng)就是計算機技術發(fā)展最快和應用最廣泛的技術之一，人們稱之為后PC時代。近年來，由于嵌入式處理器的高度發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在體積、價格、功耗、性能、穩(wěn)定性等方面有明顯的突出優(yōu)勢，因此，機器人無論從控制系統(tǒng)的結(jié)構還是機器人的智能程度等方面都得到了很大提高。所以，研究機器人及其控制系統(tǒng)，嵌入式技術發(fā)揮了越來越重要的作用［1］。

隨著我國社會經(jīng)濟和城市建設的迅速發(fā)展，在人們物質(zhì)生活水平不斷提高的同時，環(huán)境也遭受了越來越多的污染，人類賴以生存的水資源也不例外。水面污染對人類的水源構成很大的威脅，湖泊尤其是旅游勝地和市內(nèi)人工湖泊，更是無法逃避漂浮物污染的厄運，舉目可見各種日常消費品的包裝物在湖面上漂浮。污染的加劇需要根治，但是，水面污染的治理是一項長期艱難的任務，是全人類必須面對的共同問題。用人工清理水面漂浮物只是權宜之計，有些危險水域人工是無法勝任的。因此，設計了基于嵌入式技術的小型湖面漂浮物清掃機器人，用于完成這一工作。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)操作簡單、安全平穩(wěn)、經(jīng)濟環(huán)保、適應性和實用性強，具有較深遠的理論意義和應用推廣價值［2］。

2 清掃機器人系統(tǒng)總體方案設計

小型湖面漂浮物清掃機器人系統(tǒng)總體設計方案如圖1 所示，該方案總體來說，可分為兩部分:一部分是清掃機器人結(jié)構。它由船體、尾部的回收拖網(wǎng)、在水面上行走的一對驅(qū)動輪以及對應的一對直流電機構成機器人的本體結(jié)構，并在本體結(jié)構上搭載了硬件控制系統(tǒng)(ARM11)和多種傳感器等相關設備，如USB 攝像頭、電機驅(qū)動控制板、WiFi 模塊等。第二部分是以無線路由器為中心節(jié)點構成的遠程控制與監(jiān)控網(wǎng)絡。該部分主要由帶寬較大、傳輸速率較高和傳輸距離達500m 之遠的無線路由器，具有無線網(wǎng)卡、安裝有監(jiān)控軟件、便于攜帶的遠程控制用筆記本電腦，一端通過有線方式連接到無線路由器的上行端口、另一端通過其他途徑連接到Internet的有線路由器，多臺接入Internet的遠程監(jiān)控計算機所組成。其目的是通過有線和無線傳輸通道實現(xiàn)對清掃機器人的遠程控制，并獲取機器人采集到的實時視頻圖像，以便進一步觀察和決策，最終完成湖面漂浮物垃圾的清理工作。

圖1 系統(tǒng)總體方案設計圖

3 清掃機器人控制系統(tǒng)的硬件電路設計

清掃機器人控制系統(tǒng)主要完成遠程控制計算機發(fā)來的命令識別，并做出相應的動作，實時采集機器人周圍的視頻圖像，然后通過WiFi 信道傳輸給遠程控制機等。對系統(tǒng)進行功能模塊化劃分，本系統(tǒng)可劃分為以下六大模塊:視頻圖像采集模塊(USB 攝像頭);人機交互模塊;USB 接口的WiFi 模塊;程序下載模塊;電機驅(qū)動模塊和電源管理模塊。各模塊之間的關系如圖2 所示。

3.1 核心控制板和視頻采集模塊

核心控制板模塊采用FriendlyARM 公司的Tiny6410開發(fā)板［3］，該開發(fā)板外圍接口比較完備，引出了很多I/O、數(shù)據(jù)和地址總線，適合二次開發(fā)。

視頻采集模塊采用的是包含中星微公司ZC0301P 芯片的USB 攝像頭，ZC0301P 芯片內(nèi)部集成了CMOS的圖像感光芯片、JPEG 硬件壓縮引擎和USB 設備控制接口，可通過它采集得到壓縮了的MJPEG 格式的視頻流數(shù)據(jù)，并可由USB 接口傳輸?shù)絻?nèi)存進行處理。

圖2 硬件控制系統(tǒng)(ARM11)結(jié)構示意圖

3.2 電源模塊和WiFi 模塊

系統(tǒng)需要兩種電源，分別是5V，12V。5V 電源用于核心板供電，12V 電源主要對電機驅(qū)動模塊供電。為了避免引起干擾，需要設計電源模塊，因此選用了開關電源芯片LM2576 作為電壓變換核心器件，它能承受最大達3A的電流輸出。整個機器人所需的能量由12V 電瓶提供。

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無線網(wǎng)卡TL－WN321G+，采用Ralink 公司的RT73 芯片，無線傳輸速率高達54Mbps，傳輸距離可達100～300m，能夠滿足控制系統(tǒng)對遙控距離的要求。

3.3 程序下載模塊和電機驅(qū)動模塊

程序下載模塊主要完成啟動程序和應用程序的下載，本系統(tǒng)提供兩種下載方式，并口下載和串口下載。并口下載通過并口線與JTAG 調(diào)試接口連接完成PC 與S3C6410的通訊，串口下載通過RS232 串口線連接電路板上COM 口與PC 進行通訊［4］。

電機驅(qū)動模塊是機器人的重要組成部分，它和電機、驅(qū)動輪組成機器人的執(zhí)行機構，完成機器人的向前、向后、轉(zhuǎn)向等運動動作。

由于直流電機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制功能，較高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性等，因此廣泛應用在控制系統(tǒng)中。本設計采用的是1 片L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動2個直流電機，采用PWM 調(diào)速原理控制直流電機達到控制機器人的運動動作。

L298N 可驅(qū)動兩個直流電機，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間分別接2個電機。IN1 與IN2，IN3與IN4 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)［5］。為了消除電機運轉(zhuǎn)對硬件控制系統(tǒng)(ARM11)的干擾，從控制板的控制引腳出來的信號，經(jīng)過1 片TLP521－4的4 路光電耦合器信號隔離，通過脈寬調(diào)制控制光電耦合器的開關達到控制L298N 驅(qū)動芯片，并達到控制電機按照所需的速度運轉(zhuǎn)的目的。其電機驅(qū)動電路如圖3 所示。

圖3 電機驅(qū)動模塊原理圖

4 軟件設計

軟件設計主要分為兩部分:一是遠程控制端應用軟件的開發(fā)，主要工作是發(fā)送控制命令，遠程控制清掃機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向和作業(yè)工作等動作，并控制清掃機器人開啟USB 攝像頭采集機器人周圍水域的視頻信息，通過WiFi 無線信道傳回到控制端并顯示。二是清掃機器人控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)，主要包括操作系統(tǒng)移植、WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅(qū)動移植、視頻采集程序的實現(xiàn)、視頻服務器的構建、電機模塊驅(qū)動程序設計和系統(tǒng)應用軟件設計等工作。

4.1 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)移植包括引導加載程序Bootloader、內(nèi)核裁剪、配置與編譯、根文件系統(tǒng)的制作與移植等。引導加載程序負責上電時初始化目標板，裝載內(nèi)核到內(nèi)存，把引導參數(shù)傳遞給內(nèi)核，然后執(zhí)行內(nèi)核。在內(nèi)核裁剪和配置時，需要保證系統(tǒng)的功能，然后保證

支持硬件電路正常工作。

4.2 WiFi 模塊和USB 攝像頭模塊驅(qū)動程序移植

WiFi 模塊采用的是USB 接口的無線網(wǎng)卡TL－WN321G+，Linux－2.6.36 內(nèi)核提供了對該模塊的支持，因此，配置內(nèi)核的時候，選上該模塊驅(qū)動即可。

視頻采集模塊采用的是USB 攝像頭，用于完成清掃機器人周邊水域的視頻采集，傳回到遠程控制端后，可人工判別湖面漂浮物的所在位置。由于Linux－2.6.36 內(nèi)核已包含萬能USB 攝像頭驅(qū)動，所以在配置內(nèi)核的時候，選上該模塊驅(qū)動即可。

4.3 視頻采集程序的實現(xiàn)

Linux 下的視頻采集是基于Video4Linux(V4L)或Video4Linux2(V4L2)提供的接口函數(shù)來實現(xiàn)的。V4L 或V4L2是Linux 中關于視頻設備的內(nèi)核，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數(shù)。在應用程序中可利用V4L 或V4L2 結(jié)合I/O 控制函數(shù)如open、read、write、close、內(nèi)存映射等來操作攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)采集，隨后可進行數(shù)據(jù)壓縮。

4.4 視頻服務器的構建

視頻采集完成之后，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程控制端計算機的瀏覽器，遠程控制端就可以通過瀏覽器實時了解機器人周圍水域情況。為了完成該功能，需要實現(xiàn)嵌入式web 服務器構建和視頻服務器的設計。Web 服務器建立，采用的是thttpd 服務器，它是多任務的http 服務器，支持認證和CGI 程序，對其進行配置和編譯，并集成到Linux 操作系統(tǒng)中。在此基礎上，開發(fā)相應的視頻服務端軟件和應用軟件。

4.5 電機模塊驅(qū)動程序設計

Linux 操作系統(tǒng)下驅(qū)動程序的編寫有固定的模式，編寫驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，如open、read、write、ioctl 等，并填充file_operations的各個域。編寫好之后，可以以模塊的形式或直接編譯進內(nèi)核的方式，使Linux 內(nèi)核支持對電機模塊的控制。

5 結(jié)束語

本設計采用WiFi 技術，以無線路由器為組網(wǎng)中心節(jié)點，構建了一個局域網(wǎng)絡，將小型湖面漂浮物清掃機器人和無線遠程控制PC 機等接入網(wǎng)絡中。通過無線遠程控制PC 機或遠程監(jiān)控計算機的控制界面，可向機器人發(fā)出采集視頻圖像的指令，并可通過WiFi 信道傳回來的視頻圖像，判斷漂浮物的方向和所在位置，然后發(fā)出行走指令控制機器人運動到漂浮物處，收集湖面垃圾。經(jīng)不同湖面的多次實驗表明，該系統(tǒng)傳輸信息穩(wěn)定可靠，機器人運行平穩(wěn)，收集垃圾效率高，通過采用大功率的無線路由器，其最遠遙控距離可達500 米左右。因此，該機器人及其構建的系統(tǒng)具有較高的應用價值。

［1］郝衛(wèi)東，陳亮，曹德新.基于嵌入式技術的智能機器人系統(tǒng)研究［J］.電子技術應用，2009(2):30－34.

［2］張蕾蕾.湖面清掃智能機器人的控制［D］.沈陽:沈陽理工大學，2008.3.

［3］廣州友善之臂計算機科技有限公司.Mini6410 用戶手冊［EB/OL］.http://www.arm9.net/mini6410－ um.asp/ Mini6410 用戶手冊.pdf，2010.

［4］劉溯奇，郝衛(wèi)東，林添成，等.基于嵌入式的視覺巡線機器人系統(tǒng)設計［J］.工程設計學報，2008，15(2):94－96.

［5］S.T.Corp.L298N UserManual［EB/OL］.http://www.st.com/internet/analog/product/ 63147.jsp/L298N.pdf，2000.