便攜式移動(dòng)機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

目前，便攜式移動(dòng)機(jī)器人全自主控制方式尚不成熟，其監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用人在環(huán)半自主控制方式設(shè)計(jì)。為滿足攜帶、系統(tǒng)小型化、嵌進(jìn)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故設(shè)計(jì)便攜式移動(dòng)機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

功能設(shè)計(jì)

手持監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)便攜式移動(dòng)機(jī)器人起到監(jiān)視與控制的全局性作用。手持監(jiān)控系統(tǒng)可劃分為視頻圖像監(jiān)視模塊、狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)模塊、遠(yuǎn)控指令模塊、無(wú)線通訊模塊、數(shù)字與圖交互模塊、全局路徑規(guī)劃模塊六大功能模塊（見圖1）。


圖1 手持監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

視頻圖像監(jiān)視模塊對(duì)便攜式移動(dòng)機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)視；狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)模塊對(duì)機(jī)器人自身狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)控指令模塊實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動(dòng)指令編碼以及發(fā)送；無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指令、狀態(tài)信息、視頻信號(hào)等數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；數(shù)字輿圖交互模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境地理信息的數(shù)字化顯示及人機(jī)交互功能；全局路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的最優(yōu)路徑搜索功能。

硬件系統(tǒng)

手持監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)可劃分為若干模塊，各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)自身相對(duì)獨(dú)立的功能。

硬件結(jié)構(gòu)與接口

手持監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)采用基于嵌進(jìn)式系統(tǒng)的PCI總線的PC/104plus總線結(jié)構(gòu)，分為無(wú)線通訊、嵌進(jìn)式圖像采集、中心處理、遠(yuǎn)控器、液晶顯示等五大模塊。無(wú)線通訊模塊又劃分為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線視頻傳輸模塊。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指令、狀態(tài)信息等窄帶數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸；無(wú)線視頻傳輸模塊實(shí)現(xiàn)視頻圖像信號(hào)等寬帶數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

硬件系統(tǒng)各模塊通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)信息交換與數(shù)據(jù)共享。中心處理模塊通過(guò)PC/104plus總線與嵌進(jìn)式圖像采集模塊接口，實(shí)現(xiàn)模塊之間視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸。中心處理模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及遠(yuǎn)控器模塊通過(guò)串口連接。中心處理模塊通過(guò)TTL接口與液晶顯示模塊連接。嵌進(jìn)式圖像采集模塊與無(wú)線視頻傳輸模塊通過(guò)RCA接口實(shí)現(xiàn)復(fù)合視頻信號(hào)的傳輸（見圖2）。


圖2 手持監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與接口圖

硬件模塊實(shí)現(xiàn)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳送單元實(shí)現(xiàn)。嵌進(jìn)式圖像采集模塊采用PC/104plus總線結(jié)構(gòu)的嵌進(jìn)式圖像采集卡實(shí)現(xiàn)。中心處理模塊采用PC/104plus總線結(jié)構(gòu)的單板機(jī)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)控器模塊通過(guò)自行設(shè)計(jì)電路板實(shí)現(xiàn)按鍵掃描、指令編碼以及串口發(fā)送等功能。液晶顯示模塊采用小型彩色液晶屏實(shí)現(xiàn)。以上各硬件模塊實(shí)現(xiàn)符合手持設(shè)備小型化、便攜式的硬件要求。

軟件系統(tǒng)

手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)選用Windows CE（WinCE）作為嵌進(jìn)式操縱系統(tǒng)平臺(tái)，監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括：操縱系統(tǒng)定制、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、應(yīng)用程序。應(yīng)用程序又分為：鍵盤掃描模塊、串口通訊模塊、視頻處理模塊、數(shù)字輿圖模塊、路徑規(guī)劃模塊五大模塊（見圖3）。


圖3 手持監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

操縱系統(tǒng)定制

操縱系統(tǒng)定制主要根據(jù)系統(tǒng)需要建立操縱系統(tǒng)平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的配置。通過(guò)平臺(tái)裁剪工具Platform Builder（簡(jiǎn)稱PB）完成。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

WinCE的驅(qū)動(dòng)程序分為：本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和流接口驅(qū)動(dòng)程序［5］。本機(jī)設(shè)備是指集成到目標(biāo)平臺(tái)的設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序由原設(shè)備制造商（OEM）提供。流接口驅(qū)動(dòng)程序是指連接到WinCE平臺(tái)的外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，由用戶自行開發(fā)。流接口驅(qū)動(dòng)程序把外部設(shè)備看作文件系統(tǒng)的特殊文件，通過(guò)文件讀取函數(shù)間接地訪問外部設(shè)備。

嵌進(jìn)式圖像采集卡驅(qū)動(dòng)程序分為三部分：

（1）內(nèi)核部分

實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)例程（ISR）。內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)了物理中斷號(hào)與邏輯中斷標(biāo)識(shí)之間的映射關(guān)系，并調(diào)用中斷服務(wù)例程，中斷服務(wù)例程在中斷發(fā)生后向內(nèi)核返回中斷邏輯標(biāo)識(shí)。

（2）驅(qū)動(dòng)程序部分

實(shí)現(xiàn)WinCE流接口驅(qū)動(dòng)模型所需要的文件操縱接口函數(shù)，包括：采集卡初始化、數(shù)據(jù)讀取和采集卡句柄封閉。

（3）應(yīng)用程序部分

通過(guò)調(diào)用設(shè)備注冊(cè)函數(shù)將嵌進(jìn)式圖像采集卡中斷驅(qū)動(dòng)程序加載到系統(tǒng)內(nèi)存，并根據(jù)采集卡初始化參數(shù)設(shè)置修改WinCE系統(tǒng)注冊(cè)表文件。

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

鍵盤掃描模塊及串口通訊模塊單片機(jī)程序在單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境uVision2下用C語(yǔ)言開發(fā)外，其余模塊均在EVC（Windows CE Embedded VisualC++）下開發(fā)。[!--empirenews.page--]

（1）鍵盤掃描模塊

鍵盤掃描模塊主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)薄膜鍵盤的按鍵識(shí)別及鍵值顯示功能。薄膜鍵盤屬于行列式非編碼鍵盤，按鍵的識(shí)別通常采用逐行掃描查詢法實(shí)現(xiàn)。程序采用軟件延時(shí)的方法處理抖動(dòng)。鍵值顯示則通過(guò)單片機(jī)對(duì)液晶屏串行數(shù)據(jù)口編程實(shí)現(xiàn)。

（2）串口通訊模塊

串口通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)單板機(jī)與單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)通訊功能。該模塊包括單板機(jī)串口通訊程序、單片機(jī)串口通訊程序、串口通訊協(xié)議三部分。

①單板機(jī)串口通訊程序。由于WinCE不支持串口通訊控件的使用，所以EVC下的單板機(jī)串口通訊程序開發(fā)只能通過(guò)調(diào)用文件操縱函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

②單片機(jī)串口通訊程序。單片機(jī)串口通訊程序設(shè)計(jì)必須根據(jù)通訊雙方約定設(shè)置串口工作方式及串口通訊波特率。

③串口通訊協(xié)議。串口數(shù)據(jù)包括：雙向通訊測(cè)試數(shù)據(jù)、下行指令數(shù)據(jù)、上行傳感數(shù)據(jù)，而傳感數(shù)據(jù)又劃分為：速度、加速度、位置、傾角等狀態(tài)信息。為了在串口通訊中正確分離和識(shí)別各種數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各種數(shù)據(jù)添加相應(yīng)標(biāo)志字節(jié)的方法編制串口通訊協(xié)議。

（3）視頻處理模塊

視頻處理模塊通過(guò)在EVC下調(diào)用嵌進(jìn)式圖像采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻顯示與視頻控制功能。視頻顯示作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口嵌進(jìn)到軟件系統(tǒng)用戶界面。視頻顯示主要實(shí)現(xiàn)便攜式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)所處環(huán)境信息的實(shí)時(shí)視頻顯示與更新。視頻控制主要實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻采集過(guò)程的控制，其中包括：視頻采集窗口尺寸設(shè)置、視頻源制式設(shè)置、視頻數(shù)據(jù)格式選擇及視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

WinCE不支持任何視頻加速驅(qū)動(dòng)程序和底層函數(shù)，所以無(wú)法直接調(diào)用DirectX函數(shù)，則WinCE設(shè)備上動(dòng)態(tài)視頻的顯示與回放，必須開發(fā)新的設(shè)備無(wú)關(guān)位圖（DIB）快速顯示函數(shù)。采用從DGdiObject類派生的方法，使用CreateDIBSection函數(shù)創(chuàng)建DIB位圖，可以直接使用圖形設(shè)備接口（GDI）函數(shù)來(lái)操縱DIB位圖，以有效進(jìn)步位圖顯示速度。

（4）數(shù)字輿圖模塊

數(shù)字輿圖是地理信息系統(tǒng)（GIS）中的概念。數(shù)字輿圖模塊實(shí)現(xiàn)便攜式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)所處地理環(huán)境信息的數(shù)字化顯示，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字輿圖放大、縮小、周游、查找等交互操縱功能。

數(shù)字輿圖模塊通過(guò)在EVC下嵌進(jìn)MapXMobile組件實(shí)現(xiàn)，并終極作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口集成到軟件系統(tǒng)用戶界面。MapX Mobile是基于對(duì)象鏈接嵌進(jìn)（OLE）技術(shù)的ActiveX控件，在EVC下設(shè)置該控件的屬性、方法及響應(yīng)事件即可實(shí)現(xiàn)輿圖顯示與操縱功能。

應(yīng)用程序通過(guò)MapX Mobile組件實(shí)現(xiàn)輿圖顯示與操縱，同時(shí)治理輿圖數(shù)據(jù)文件。并可以單獨(dú)在嵌進(jìn)式設(shè)備上運(yùn)行，也能和WinCE操縱系統(tǒng)兼容。MapX Mobile答應(yīng)用戶把輿圖數(shù)據(jù)帶到自身所在的任何位置，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)的GIS組件。

（5）路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字輿圖的點(diǎn)到點(diǎn)全局路徑規(guī)劃功能。該模塊是在數(shù)字輿圖模塊查找交互操縱功能的基礎(chǔ)上運(yùn)用迪杰斯特拉（Dijkstra）算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑搜索。操縱者在數(shù)字輿圖上選取起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，程序通過(guò)Dijkstra算法搜索得出兩點(diǎn)之間可以通行的最優(yōu)路徑，并在數(shù)字輿圖上標(biāo)識(shí)該最優(yōu)路徑。

Dijkstra算法是解決最短路徑題目的理論基礎(chǔ)。該算法適合于計(jì)算帶權(quán)有向圖中兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑。將數(shù)字輿圖上的道路和地點(diǎn)抽象為有向圖的邊與節(jié)點(diǎn)，道路的長(zhǎng)度作為有向圖邊的權(quán)值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字輿圖到帶權(quán)有向圖的抽象（見圖4）。


圖4 數(shù)字地圖抽象的帶權(quán)有向圖

Dijkstra算法步驟：

Step1：設(shè)集合S存放已求出最短路徑的終節(jié)點(diǎn)，初始狀態(tài)時(shí)，S集合只有源節(jié)點(diǎn)v0，即S＝｛v0｝。

Step2：令k＝1，對(duì)于節(jié)點(diǎn)vk，計(jì)算v0到vk的間隔

代價(jià)函數(shù)：

Length（k）是v0和vk之間可達(dá)連接權(quán)值之和，假如v0和vk之間不可達(dá)，則間隔代價(jià)函數(shù)值無(wú)窮大。

Step3：取dist［k］值最小的節(jié)點(diǎn)序列保存在path［k］中，并添加vk到集合S中，即S＝｛v0，vk｝。且令k＝k+1.

Step4：若vk即為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則算法結(jié)束；否則，跳轉(zhuǎn)至Step2.

則path［k］中即為源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)之間的最短路徑序列，最小dist［k］值即為源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑間隔。

設(shè)計(jì)實(shí)例

該手持監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用到履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地測(cè)試取得較好的效果，測(cè)試過(guò)程中軟件系統(tǒng)用戶界面如圖5.用戶界面分為三部分：機(jī)器人自身狀態(tài)信息顯示、視頻圖像數(shù)據(jù)顯示、數(shù)字輿圖顯示。


圖5 手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)用戶界面

結(jié)論

便攜式移動(dòng)機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)在履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)測(cè)試。嵌進(jìn)式硬件結(jié)構(gòu)和嵌進(jìn)式操縱系統(tǒng)的引進(jìn)符合移動(dòng)智能終端設(shè)備體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的設(shè)計(jì)要求。

隨著高技術(shù)武器裝備研究的發(fā)展，便攜式移動(dòng)機(jī)器人將越來(lái)越多地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。手持監(jiān)控系統(tǒng)作為便攜式移動(dòng)機(jī)器人的子系統(tǒng)，逐步成為軍用機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題之一。