可視化遠程遙控移動機械手設(shè)計與實現(xiàn)

機械手在現(xiàn)代社會已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，航空航天業(yè)，軍事業(yè)，同時也將進入服務(wù)業(yè)，移動機械手是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機電一體的產(chǎn)品。隨著社會生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機械手的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。從自動化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機械手已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標。然而就目前的機械手技術(shù)水平而言，機械手在信息的獲取、處理及控制能力等方面都是有限的，對于復(fù)雜的工作任務(wù)及多變的工作環(huán)境，機械手的能力更顯不足。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來、嵌入式技術(shù)及軟件技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的高性能嵌入式芯片的出現(xiàn)，嵌入式操作系統(tǒng)的快速發(fā)展，并且應(yīng)用到嵌入式處理器中，促進了移動機械手向更加向智能化方向發(fā)展。本文以TI公司的OMAP4430異構(gòu)多核處理器為核心，Android手機為控制終端，實現(xiàn)了一款基于搖桿手柄操作的可視化移動機械手?？刂平K端Android手機響應(yīng)搖桿事件控制移動機械手操作。同時借助OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強大優(yōu)勢實現(xiàn)了對720P視頻的實時無線傳輸。為了提高移動機械手的控制精度和相應(yīng)速度，采用直流馬達驅(qū)動機械手運動并采用實現(xiàn)180級別角度和速度的7個AX-12馬達來提供更大的力矩。最后通過實驗來驗證本次設(shè)計的可行性。

1 硬件平臺

本次設(shè)計的可視化遠程遙控移動機械手硬件部分主要分為OMAP4430開發(fā)板、Android手機、車體及機械手馬達三部分。

1.1 OMAP4430開發(fā)板

OMAP4430 是TI公司的實現(xiàn)了高性能和低功耗完美平衡的Soc，其內(nèi)部主要包括四個處理引擎：基于ARMv7l指令集的SMP Cortex-A9 1Ghz雙核處理器，可編程多媒體硬件加速引擎IVA-HD及協(xié)處理核Cortex-M3，高性能的圖像顯卡Power SGX540及提供圖像視頻并行計算的ISP。其中IVA-HD多媒體加速引擎內(nèi)部有7個針對各種視頻編解碼而設(shè)計的加速引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)對720P視頻的實時編解碼。其內(nèi)部示意圖如圖1所示:

圖1 OMAP4430內(nèi)部引擎示意圖

1.2 Android平臺

Android是一個以Linux為基礎(chǔ)的開放源代碼移動設(shè)備操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備，由Google成立的Open Handset Alliance持續(xù)領(lǐng)導(dǎo)與開發(fā)中。Android具有開源、良好的可移植性等成為全球第一大智能手機操作系統(tǒng)。本次設(shè)計Android手機采用聯(lián)發(fā)科Cortex-A7處理器，支持無線網(wǎng)卡AP熱點,支持H264硬解碼。

1.3 移動機械手

移動機械手由運動小車和機械手組成，運動小車負責(zé)地面移動，而機械手通過旋轉(zhuǎn)6個馬達關(guān)節(jié)來完成捉取地面目標任務(wù)。

1.3.1 移動小車

利用高性能MCU ATmega128L芯片通過傳感器采集當前的狀態(tài)及驅(qū)動DC馬達進行移動, ATmega128單片機為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128單片機的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHZ，小車采用4輪驅(qū)動車輪形移動機器人，配有4個DC直流馬達及多種傳感器，具有卓越的旋轉(zhuǎn)能力和穩(wěn)定性好的特點，小車控制框架如圖2所示：

圖2 小車運動控制示意圖

1.3.2 機械手

機械手由6個AX-12馬達組成，AX-12馬達具有180級別位置和速度控制、位置角度和速度的實時反饋、內(nèi)部溫度或力矩超出范圍時給予警告提示等優(yōu)點。第一個馬達的關(guān)節(jié)負責(zé)機械手360度旋轉(zhuǎn)，第二個關(guān)節(jié)的同時控制兩個馬達，這個關(guān)節(jié)在提起和放下物體時提供了必須的扭矩，因此通過控制兩個馬達補充扭矩大小的不足，而第三第四個馬達提供了機械手捉取目標時前伸和后縮所需的力矩，第五個馬達則是手腕旋轉(zhuǎn)馬達，用于旋轉(zhuǎn)最后一個馬達的空中角度。最后一個馬達的旋轉(zhuǎn)將推動夾子張開和閉合來捉取地表目標。通過這6個馬達的機械臂，可向所有方向移動并進行多樣化的動作實驗。

1.4 系統(tǒng)硬件框架

圖4 系統(tǒng)硬件框架圖

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括Android手機應(yīng)用、OMAP4430開發(fā)板Linux控制服務(wù)端和無線視頻服務(wù)軟件設(shè)計、AVR單片機程序設(shè)計，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

Android應(yīng)用主要負責(zé)接收手柄水平、豎直方向的搖桿時間和手柄按鍵事件、實時分析處理事件、將結(jié)果通過Socket發(fā)送給OMAP4430開發(fā)板。同時Android將實時接收經(jīng)過OMAP4430開發(fā)板通過H264算法壓縮的720P視頻流并通過硬解碼技術(shù)將解碼緩存繪制到控制界面上。

OMAP4430開發(fā)板搭載Linux3.9.11操作系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)卡Socket編程與Android手機建立通信，它主要負責(zé)接收Android平臺發(fā)過來的控制命令并進行處理后將數(shù)據(jù)通過無線藍牙串口發(fā)送給AVR單片機控制移動機械手的運動和馬達操作。利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器在視頻編解碼上的強大優(yōu)勢，通過USB攝像頭采集720P分辨力的視頻幀通過libdce庫利用內(nèi)部的IVA-HD多媒體硬件加速引擎進行H264編碼，并將編碼視頻緩存流通過無線網(wǎng)卡Socket通信發(fā)送到Android手機進行顯示。

而底端AVR單片機則負責(zé)接收OMAP4430發(fā)過來的控制命令來操作4個直流電機進行運動、同時將通信數(shù)據(jù)進行解析成機械馬達旋轉(zhuǎn)速度及角度械手的動作來完成任務(wù)。

圖5 系統(tǒng)軟件框架圖

2.1 移動機械手單片機軟件實現(xiàn)

移動機械手的控制核心為ATmega128L單片機，其內(nèi)部通過時鐘產(chǎn)生變換PWM來控制4個DC電機旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)機械手的移動。同時內(nèi)部有兩個UART串口，分別與OMAP4430通信的藍牙串口和控制AX-12馬達旋轉(zhuǎn)的串口。其軟件流程如下：

1)寄存器初始化：包括初始化時鐘定時器、端口輸入輸出初始化、設(shè)置LED控制寄存器等

2)打開藍牙串口和與AX-12通信串口，設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗、停止位等屬性

3)藍牙串口接收OMAP4430發(fā)過來的控制參數(shù)，并進行參數(shù)解析處理。如果為運動控制參數(shù)，則通過PWM_change()修改PWM來控制機械手運動方向，如果為機械手設(shè)置參數(shù)通過Ctrl_Array_MT()設(shè)置每個AX-12馬達的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度來完成捉取目標任務(wù)。

4)讀取AX-12馬達的溫度及力矩，如果超出預(yù)定范圍則調(diào)整馬達速度和力矩并向OMAP4430開發(fā)板發(fā)出提示信息。機械手動作控制命令如表1所示:

表1 移動機械手操作命令

2.2 Android應(yīng)用軟件設(shè)計

2.2.1 搖桿手柄事件處理

搖桿手柄采用USB OTG方式連接到Android手機，Linux內(nèi)核已經(jīng)包括其驅(qū)動程序。手柄的水平豎直搖桿事件和按鍵事件都將觸發(fā)MainActivity的onKeyDown()函數(shù)和onGenericMotionEvent()函數(shù)的調(diào)用，在函數(shù)中分析事件對象的屬性(觸發(fā)按鍵ID、事件類型)進而向OMAP4430發(fā)出不同控制命令。其參考代碼如下:

boolean onKeyDown(int keyCode, KeyEvent event)

{if(event.getSource()==InputDevice.SOURCE_JOYST ICK || event.getSource()==1281) //手柄按鍵事件

{ if(event.getAction()==KeyEvent.ACTION_DOWN)

{ int keycode=event.getKeyCode();

swicth(keycode)

{ case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_1:

……. break; //ID=1按鍵按下觸發(fā)的事件

case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_2:

case KeyEvent.KEYCODE_BUTTON_3:

default:break;}}}}

boolean onGenericMotionEvent(MotionEvent event){

if(event.getSource()==InputDevice.SOURCE_JOYSTICK)

{ //手柄搖桿事件

float Raw_x=event.getRawX(); //水平方向偏移

float Raw_y=event.getRawY(); //豎直方向偏移

}}

2.2.2 Android H264解碼

Android從4.1版本加入了H264視頻硬解碼API，其MediaCodec內(nèi)部封裝了openMax庫進行多媒體硬解碼加速，openMax是一個開源、跨平臺的多媒體編解碼加速API[5]，包括openMax應(yīng)用層、openMax集成層、openMax開發(fā)層。其解碼h264的步驟包括:

1)通過MediaCodec.createDecoderByType(“video/mp4v-es”)創(chuàng)建H264解碼對象

2)mediacodec.configure(format,…..)配置H264解碼器的參數(shù)，包括圖像分辨率，視頻幀格式、H264視頻流的頭信息等

3)mediacodec.dequeueInputBuffer()獲取可用緩存指針，將接收的H264編碼拷貝到該緩存中，mediacodec.queueInputBuffer()將緩存送入解碼器的緩存隊列中

4)查詢等待解碼器完成，dequeueOutputBuffer()將解碼后的圖像緩存出隊，并通過Surafce顯示接口將圖像繪制到控制界面上

2.3 Linux控制進程及無線視頻服務(wù)

OMAP4430開發(fā)板運行Linux3.9.11操作系統(tǒng)，具有實時性強、良好移植性等優(yōu)點。利用Andriod手機無線網(wǎng)卡創(chuàng)建一個AP熱點，OMAP4430 開發(fā)板的無線網(wǎng)卡將連接到AP上，二者通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信。

控制進程將創(chuàng)建一個TCP Socket服務(wù)端，等待Android應(yīng)用連接，同時打開無線藍牙串口設(shè)備/dev/ttyUSB0設(shè)備，設(shè)置串口屬性（115200波特率、8位數(shù)據(jù)、無校驗等）。在連接建立之后循環(huán)接收Andriod發(fā)過來的控制命令并進行命令解析處理，處理結(jié)果將通過藍牙串口發(fā)送給AVR單片機來控制移動機械手。

無線視頻傳輸進程將通過V4L2編程接口調(diào)用USB攝像頭采集1280*720視頻幀（采集速度為30幀每秒）。利用OMAP4430異構(gòu)多核處理在多媒體視頻編解碼強大運算能力，通過libdce庫的engine_open()、engine_create()、viddce_control()、viddec_procees()函數(shù)創(chuàng)建H264編碼實例并通過RPMsg消息總線遠程調(diào)用協(xié)處理核的IVA-HD的加速引擎來提高視頻編碼效率。為了減小網(wǎng)絡(luò)帶寬需求、提高無線傳輸效率，本次采用Baseline、 Level3.2編碼級別。最后將H264編碼緩存通過無線網(wǎng)卡Socket服務(wù)端發(fā)送到Android客戶端進行解碼顯示?？刂七M程和無線視頻傳輸進程的流程如圖6、7所示：

3 測試

表2 無線視頻傳輸實時性測試

由于借助異構(gòu)多核處理器OMAP4430內(nèi)部的協(xié)處理核Cortex-M3和IVA-HD多媒體硬件引擎來實現(xiàn)H264編碼加速，因此本次720P無線視頻傳輸實時性較高，達到了28幀每秒。

4 結(jié)語

針對移動機械手控制方式復(fù)雜，環(huán)境周圍信息獲取能力不足的缺點，采用Android手機為控制中心，搖桿手柄為輸入設(shè)備實現(xiàn)了移動機械手的可視化實時操作。同時利用OMAP4430異構(gòu)多核處理器內(nèi)部協(xié)處理核Cortex-M3、IVA-HD 多媒體引擎加快720P H264視頻編碼效率，提高了無線視頻服務(wù)的實時性。實踐證明系統(tǒng)具有人機交互方式友好、控制簡單、多核間負債平衡、無線視頻服務(wù)實時性強等優(yōu)點。