1、基于視覺的危險環境探測小車研究與設計1 緒論機器人作為人類20世紀最偉大的發明之一，在短短的40年內發生了日新月異的變化。無線遙控小車作為機器人的一種，也得到了長足的發展。在工業應用方面，智能小車可以代替人進入危險環境進行探測和工作，如進入礦井下測量有毒瓦斯濃度，進入輻射區域搜索輻射源，人只需在控制中心進行監控。利用導航技術、路徑規劃技術、多傳感器信息融合技術，智能小車將更加智能化，應用更廣。本文介紹了基于視覺的危險環境探測小車總體方案，并進行了核心器件的選擇。對各功能模塊進行了硬件和軟件設計與實現，如電源模塊、電機驅動模塊、溫濕度檢測模塊、空氣質量檢測模塊、測速模塊、路障檢測模塊、射頻調制模

2、塊、無線通信模塊等，并對各模塊進行方案論證，合理的選擇各模塊器件以及實現電路。此外本設計做了硬件的安裝并進行了整體的調試，給出了調試中出現問題的解決方法，完成了系統設計所要求的功能。2基于視覺的危險環境探測小車的總體方案設計2.1系統整體設計基于視覺的危險環境探測小車主要由主控制器、被控小車和圖像顯示終端組成。主控制器主要一方面向被控小車發送控制指令，另一方面接收被控小車傳送回來的信息并顯示。被控小車用于對危險環境的探測，車上的攝像頭由兩個舵機驅動，用于改變監控角度。另外，小車上還有危險環境檢測傳感器和溫濕度傳感器，用于對環境信息進行實時檢測，小車四周的障礙物傳感器用于向主機返回小車周邊的路況

3、信息。顯示終端主要用于接收被控小車發出的視頻信息并顯示。其控制系統結構如圖2-1。2.1.1系統硬件設計本設計采用自頂向下的設計方法，將本系統的功能進行了合理的劃分，使其每一部分分別完成較小的任務，形成應用系統常用的結構形式積木式結構框架，有利于功能的擴大和更換，能夠增加了系統的靈活性。本設計主控制器采用ATmega16作為主控芯片，被控小車采用功能強大的MC9S12XS128單片機作為主控芯片。系統主機硬件框圖如圖2-2所示，被控小車硬件框圖如圖2-3所示。圖2-1 基于視覺的危險環境探測小車系統結構圖圖2-2 基于視覺的危險環境探測小車主機硬件框圖圖2-3 被控小車硬件框圖2.1.2系統軟

4、件設計系統主機軟件流程框圖如圖2-4所示，從機軟件流程圖如圖2-5所示。 圖2-4主控制器軟件流程圖圖2-5 被控小車軟件流程圖本系統中，主控制器主要用于向被控小車發送控制命令，并接收小車傳回來的危險環境溫濕度、空氣質量、小車電池電量、小車速度、小車周圍障礙物等數據。主控制器接收到數據處理后并在液晶屏上顯示出來。系統的主控制器采用ATmega16作為主控芯片。3 系統硬件功能模塊的設計與實現3.1基礎功能模塊3.1.1電源功能模塊設計與實現本設計采用LM2596S開關電壓調節器構成系統的開關穩壓電源，LM2596S是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調

5、節特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調版本可以輸出小于37V的各種電壓。本設計采用的是12V電壓輸入，5V電壓固定輸出模式。具體電路如圖3-1。圖3-1 電源電路圖3.1.2 人機接口功能模塊設計與實現1.輸入功能模塊在本系統中，輸入功能模塊用于用戶控制被控小車的運動狀態。其電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2 輸入功能模塊電路圖2.輸出功能模塊本系統中，選用金鵬電子的LCD128*64漢字液晶作為輸出顯示界面。它能顯示字母、數字、符號、中文字型及圖形，足以滿足本設計需要。另外，用一個LED指示燈來指示老年人撥打電話的狀態。LCD128*64液晶屏的電路原理圖如圖3-3所示。主機發送

6、成功指示燈電路如圖3-4所示，當主機數據發送成功后，指示燈亮，用來指示數據發送成功。圖3-3 LCD128*64接口電路圖圖3-4 通話指示燈電路圖3.1.3蜂鳴器報警模塊設計與實現蜂鳴器報警模塊主要用于在主控制器發出控制指令后，若被控制器返回控制成功指令，則蜂鳴器鳴叫兩聲。同時，若被控制器檢測到危險氣體濃度超標或者小車周圍有障礙物，蜂鳴器會鳴叫五聲。本模塊選用大功率蜂鳴器，用于增強報警效果，主要用于系統各部分的報警，原理圖如圖3-5所示。圖3-5 蜂鳴器報警電路圖3.2檢測功能模塊3.2.1 溫濕度檢測功能模塊設計與實現由于系統既要對濕度進行測量，又要對溫度進行測量，為了降低硬件和軟件復雜度

7、，節約成本，本設計采用DHT11溫濕度傳感器。 硬件電路如圖3-6所示。圖3-6 溫濕度傳感器電路原理圖3.2.2 空氣質量檢測功能模塊設計與實現本文采用MQ-2作為危險氣體檢測功能模塊的主元件。該元件具有以下特點。 1)在較寬的濃度范圍內對可燃氣體有良好的靈敏度；2)對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度較高；3)長壽命、低成本；4)簡單的驅動電路即可。其結構圖如圖3-7所示。圖3-7 MQ-2結構圖2. 信號調理電路危險氣體檢電路工作原理如圖3-8所示。圖3-8 MQ-2可燃氣體檢電路原理圖3.2.3 障礙物檢測功能模塊設計與實現因為在小車的前后都要加路障檢測傳感器，考慮成本，在本設計中選用紅外線光

8、電傳感器。以透射式為例，如圖3-9所示。接收光電管在沒收到紅外光信號時，光電管阻值較大，通過電阻分壓連接到比較器的反向輸入端，低于正向輸入端的電壓，比較器輸出端為高電平，發光二極管滅；反之，二極管亮。圖3-9 紅外線發射與接收3.2.4 測速模塊設計與實現通過速度檢測，將小車當前速度反饋回來給控制器會很大程度上方便控制者的控制。通過實驗與比較，本設計采用旋轉編碼器。將旋轉編碼器轉軸與電機轉軸以一定的齒輪比嚙合。則電機每轉一周，編碼器便會輸出固定的脈沖。這種方案精度最高，受外界環境影響最小。后輪的周長為20.9cm，輪子每轉動2圈，旋轉編碼器輸出11個脈沖發送給單片機的內部計數器。如果想知道當前

9、機器人的行駛速度，只要看在程序規定的時間內檢測到的脈沖數即可求得。在實際程序設計中，設定的采集速度時間為10ms，而不是1s，因為1s的時間來采集當前速度周期太長，不能及時有效的對機器人行駛速度速進行控制。3.2.5 小車電池電量檢測模塊設計與實現在小車運行過程中，控制者必須實時監測小車電池電量，防止小車電池耗盡而無法從危險環境中回來。電量檢測電路如圖3-10所示。圖3-10 小車電池電量檢測原理圖3.3驅動功能模塊3.3.1電機驅動模塊設計與實現本設計中驅動模塊包括前輪舵機驅動和后輪電機驅動兩部分。本設計使用的驅動電機型號為RS-380，工作電壓7.2V，空載電流為0.5A，轉速為16200

10、r/min。在工作電流為3.3A，轉速達到1460r/min時，工作效率最大，并采用BTS7960B作為機器人電機驅動芯片。其驅動電路如圖3-11所示。如圖所示，采用2個半橋智能功率驅動芯片BTS7960B組合成一個全橋驅動器，驅動直流電機轉動。通過對下橋臂開關管進行頻率為25 kHz的脈寬調制(PWM)信號控制BTS7960B的開關動作，實現對電機的正反向PWM驅動、反接制動、能耗制動等控制狀態。 圖3-11電機驅動電路圖2.舵機驅動舵機工作原理如下：減速齒輪組由電機驅動，其輸出軸帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角線性地轉換為電壓并反饋給控制線路板，然后控制線路板將其與輸入的

11、控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動電機正向或反向轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到使伺服馬達精確定位的目的，如圖3-12示。圖3-12舵機控制框圖圖3-13 舵機插頭圖如圖3-13，當機器人轉向時，微控制器向舵機的信號線發出PWM波，對其進行控制。為使小車的轉向更加靈敏，迅速。本設計對舵機進行了以下系列的機械結構改進。(1) 舵機柄的長度加長到約為原來三倍。這樣舵機輪轉過相同的角度與沒加長之前相比只需轉過比較小的角度，也就是機器人轉向的速度更快了，但也增加了舵機的轉向負荷，甚至出現舵機里面齒輪損壞的情況。(2) 將舵機立起來放置，使舵機位于兩輪的中心線上，同時把輪胎到舵機的連桿

12、改為等長。這樣改動之后，舵機左右轉向時受力比較均勻，從而能夠靈活的轉向。3.3.2攝像頭照明驅動模塊設計與實現本系統增加了攝像頭照明模塊，用于在外界光線不足時打開照明，提高監控效果。LED驅動芯片選用 華潤矽威科技有限公司新推出的PT4115。PT4115 是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，可滿足驅動點亮1-7顆串聯的大功率LED或N顆串并聯的小功率LED，驅動恒流大小可按應用方案設定。應用電路如圖3-14所示圖3-14 攝像頭照明驅動模塊電路原理圖3.4射頻調制模塊射頻調制模塊應用的是飛思卡爾公司生產的MC44BS373CA。它是一款優秀的安防監控IC，支持中國的全

13、部電視頻道，只需一片單片機向MC44BS373CA的I2C發送指令即可控制MC44BS373CA具體工作頻道等參數。3.4.1射頻調制模塊設計與實現將攝像頭輸出的模擬視頻信號調制到某個電視的頻道上，電視的頻道選擇由AT89C205控制，最后構成射頻信號，將此射頻信號發射出去，即可被接收終端接收顯示。其電路原理圖如圖3-15所示。圖3-15射頻調制電路3.5通信功能模塊SRW1012是一款先進的低成本射頻收發模塊，可提供覆蓋 240MHz 至 930MHz 的頻率選擇。極佳的接收靈敏度（-121dBm）可保證大范圍、高連接的卓越性能。2. SRW1012的應用本模塊通過標準的4線SPI接口與外邊

14、 MCU進行通信，4 線為NSEL、SCLK、SDI和SDO。外部MCU通過SDI往模塊中配置數據，通過SDO從模塊中讀出寄存器數值。圖3-16為SPI口的時序圖，圖3-17為SRW1012與單片機接線圖。圖3-16 SRW1012 SPI時序圖圖3-17 SRW1012與單片機接線圖4 系統軟件及通信功能模塊設計與實現4.1數據采集模塊軟件設計與實現傳感器是的數據采集的主要元件，MCU采集到傳感器信息后會及時反饋給主控制器，以便控制者實時了解環境信息。4.1.1溫濕度傳感器數據采集本設計中通過使用溫濕度傳感器DHT11對外界環境的溫濕度進行監測。由于DHT11是在一根I/O線上讀寫數據，因此

15、，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DHT11有嚴格的通信協議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。讀取DHT11溫濕度程序如下，軟件流程圖如圖4-1所示。void COM(void) U8 i; for(i=0;i<8;i+) U8FLAG=2; while(!PORTK_PK7)&&U8FLAG+); delay_us(40); U8temp=0; if(PORTK_PK7)U8temp=1; U8FLAG=2; while(PORTK_PK7)&&U8FLAG+); /超時則跳出for循環 if(U8FLAG=1)break; /判斷數據位是0還是1

16、U8comdata<<=1; U8comdata|=U8temp; 圖4-1 讀取溫度程序流程圖4.1.2空氣質量數據采集本設計利用空氣質量傳感器對可燃氣體濃度信號進行監測并且轉變成電壓信號， 然后與設定的電壓信號進行比較，當氣體濃度超過設定值時輸出電壓信號至單片機的PA6引腳，使單片機立刻發送危險氣體濃度過高信息給主控制器?？諝赓|量檢測程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2空氣質量檢測程序流程圖4.1.3小車電池電量采集小車電量的采集主要利用單片機的A/D來實現的。程序如下，電量采集流程圖如圖4-3所示。void check_battery(void) while(!ATD0STAT

17、2_CCF0); / 等待轉換結束 if(ATD0STAT2_CCF0=1) data_feedback1=ATD0DR0L;/取值 圖4-3 危險氣體質量報警程序流程圖4.1.4小車周圍障礙物信息數據采集整個系統有5個紅外傳感器用于檢測小車周圍的路況信息。五個傳感器分別安置于車頭和車尾。當5個中有一個檢測到有障礙物時，小車會立刻向控制者發送報警信息，并將障礙物的位置也一起發送，便于控制者控制小車躲開障礙物。路況檢測程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 小車周圍障礙物檢測程序流程圖4.1.5小車速度數據采集為了方便控制者實時了解小車的速度信息，便于控制，本系統選用測速精度高的旋轉編碼器來對小車的

18、速度進行測量，程序如下。/-實時時鐘初始化-/void RtiInit(void) RTICTL=0X00; CRGINT|=0x80;/-脈沖累加初始化-/void PACInit(void) PACTL=0X50; PACNTL=0x00; /-實時中斷-/#pragma CODE_SEG _NEAR_SEG NON_BANKED void interrupt 7 Rti_interrupt(void) speed_cnt=PACNTL;/計數寄存器 sign=1; CRGFLG|=0X80;/Write 1 to clear RTIF bit RTICTL=0x00; #pragma C

19、ODE_SEG DEFAULT/-開啟實時中斷讀取速度數據-/ void read_speed(void) PACNTL=0x00; sign=0; /初始化標志位 RTICTL=0xBF; /初定10MS實時時鐘4.2人機接口模塊軟件設計與實現本設計采用金鵬公司OCMJ(奧可拉中文集成模塊)C系列液晶作為人機顯示模塊，主要顯示系統工作狀態、家居環境參數和設定工作模式及參數，其管腳功能如表4-1所示。表4-1 OCMJ管腳功能管腳號管腳名功能1VSS GND(地)2VDDSupply Voltage For Logic(+5V)3VOSupply Voltage For LCD(懸空)4RS(

20、CS)H:DATA L:Instruction Code (chip enable for serial mode)5R/W(STD)H，Read ；L，Write(serial data for serial mode)6E(SCLK)Enable Signal，高電平有效(serial clock)714DB0DB7數據端口15PSBH，Parallel Mode；L，Serial Mode16NC空腳17RSTReset Signal，低電平有效18NC空腳19LEDA背光源正極(+5V)20LEDK背光源負極(0V)單片機與液晶的接口有并行與串行兩種，由于應用并行接口將占用單片機較多的I/O資源，因此在本系統中液晶與單片機之間的數據傳輸通過串行接口實現。單片機與液晶的連接圖如圖4-5所示。圖4-5單片機與液晶連接圖液晶的串行傳輸信號如圖4-6所示。圖4-6 串口通信時序圖4.3驅動電機軟件設計與實現 小車速度的控制采用PWM調速的方式，當控制者發送改變速度的指令時，被控小車根據修改值改變小車速度。具體程序如下，軟件流程圖如圖4-7所示。void PWMInit() PWME=0X00; /關閉PWM PWMCTL=0XD0; /級聯 67通道級聯 45級聯 PWMPRCLK=0X11; /ClockA=ClockB=B