基于OPenWrt的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：嵌入式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了全方位自主移動(dòng)及避障、行走中的圖像采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。采用ARM處理器S3C2440作為主板控制器，選擇OpenWrt作為操作系統(tǒng)。系統(tǒng)采用2層架構(gòu)，上層以S3C2440為核心，負(fù)責(zé)圖像采集，并將圖像通過(guò)Wi-Fi方式發(fā)送給PC機(jī)；下層以51單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)處理等操作。
關(guān)鍵詞：OpenWrt；移動(dòng)機(jī)器人；Wi-Fi；圖像采集

引言
    近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究越來(lái)越廣泛。本設(shè)計(jì)是采用OpenWrt操作系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人，它可實(shí)現(xiàn)多種不同功能，如探測(cè)險(xiǎn)情、巡視、圖像采集、定位、無(wú)線通信等。它還可以作為各種智能控制方法(包括動(dòng)態(tài)避障、路徑規(guī)劃、群體協(xié)作策略)的良好載體，開展研究。

1 系統(tǒng)方案
    采用2層架構(gòu)。上層以ARM處理器S3C2440為核心，選用MINI2440開發(fā)板作為上層的主板，負(fù)責(zé)圖像采集，并將圖像通過(guò)Wi-Fi方式發(fā)送給遠(yuǎn)端的PC機(jī)。Wi-Fi無(wú)線通信是利用PC機(jī)與無(wú)線路由器搭建環(huán)境平臺(tái)共同實(shí)現(xiàn)的。
    下層是以51單片機(jī)為核心的單片機(jī)控制板，由51單片機(jī)及外圍電路組成。下層主要負(fù)責(zé)機(jī)器人移動(dòng)控制，傳感器數(shù)據(jù)處理。51單片機(jī)通過(guò)I／O口輸出PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。單片機(jī)接口電路上掛接了1個(gè)超聲波測(cè)距模塊、1個(gè)人體紅外感應(yīng)模塊、1個(gè)步進(jìn)電機(jī)模塊。超聲波測(cè)距模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，而超聲波測(cè)距模塊安置在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，步進(jìn)電機(jī)不停地來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，超聲波測(cè)距模塊也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣用1個(gè)超聲波測(cè)距模塊就可實(shí)現(xiàn)多方位測(cè)距，從而減少了超聲波測(cè)距模塊的數(shù)量。
    機(jī)器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機(jī)、外圍接口電路、機(jī)器人底盤以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心，51單片機(jī)是下層的核心。軟件包括：嵌入式Linux操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、Linux應(yīng)用程序以及單片機(jī)應(yīng)用程序等。系統(tǒng)沒(méi)有選用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊徑，選用一種獨(dú)特的嵌入式Linux發(fā)行版之一OpenWrt作為操作系統(tǒng)。OpenWrt提供了一個(gè)完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理，它通過(guò)簡(jiǎn)單易用的方式，降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻，提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。
    嵌入式智能移動(dòng)機(jī)器人的工作流程為：傳感器模塊實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境信息，將此數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綑C(jī)器人控制系統(tǒng)中，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲取有效數(shù)據(jù)，從而獲知機(jī)器人與障礙物的相對(duì)位置，然后根據(jù)此位置信息產(chǎn)生控制信號(hào)；單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制直流電機(jī)來(lái)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到機(jī)器人自主“行走”的目的。下層的單片機(jī)與上層的ARM處理器通過(guò)串口來(lái)通信，ARM主板可將下層單片機(jī)控制板的工作數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線Wi-Fi的方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC機(jī)。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現(xiàn)場(chǎng)圖片發(fā)給遠(yuǎn)端的PC控制終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機(jī)、外圍接口電路、機(jī)器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機(jī)是下層的核心。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    由圖1可以看出，系統(tǒng)主要由以下模塊構(gòu)成：圖像采集模塊、無(wú)線通信模塊、超聲波測(cè)距模塊、紅外感應(yīng)模塊、MINI2440、單片機(jī)STC89 C52以及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。下面重點(diǎn)介紹直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。[!--empirenews.page--]
    直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以L298N芯片為核心，該芯片具有帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電路芯片的外圍電路主要是由二極管構(gòu)成的電橋電路與2組電機(jī)并聯(lián)連接，以達(dá)到控制電機(jī)按照設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

    移動(dòng)機(jī)器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖3所示。

    電機(jī)共有4路PWM輸Ⅲ分別作為左右輪的驅(qū)動(dòng)，而通過(guò)2路PWM輸出可控制一個(gè)電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)以并聯(lián)方式連接。
    當(dāng)L298N芯片使能信號(hào)ENABLE為高時(shí)，輸出才隨輸入變化，否則為高阻態(tài)，所以焊接時(shí)，ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC。
    具體驅(qū)動(dòng)過(guò)程為：通過(guò)編程由控制芯片經(jīng)PWM發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，PWM輸出作為L(zhǎng)298N的輸入，經(jīng)L298N轉(zhuǎn)換輸出控制信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
    PWM輸出信號(hào)的高低則可以控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)占空比加大時(shí)，轉(zhuǎn)速升高；占空比減小時(shí)，轉(zhuǎn)速降低；當(dāng)PWM信號(hào)輸出占空比為0時(shí)可控制電機(jī)的停止。
    當(dāng)左輪停止，右輪轉(zhuǎn)時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)右輪停止，左輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小車右轉(zhuǎn)。而2路PWM輸出的正負(fù)順序轉(zhuǎn)換則可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)和后退。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分是移動(dòng)機(jī)器人的智能化的體現(xiàn)，它控制移動(dòng)機(jī)器人所有的運(yùn)行狀態(tài)。
    操作系統(tǒng)采用了OpenWrt操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了Linux內(nèi)核的定制過(guò)程，而且允許開發(fā)者使用軟件包的概念來(lái)定制嵌入式設(shè)備，從而簡(jiǎn)化了嵌入軟件開發(fā)的流程。
    程序在Kubuntu CodeBlock IDE集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫，用OpenWrt編譯出來(lái)的ARM eabi交叉編譯工具編譯，再經(jīng)過(guò)終端Sercurt-CRT通過(guò)串行口向移動(dòng)終端燒入交叉編譯后的程序以及系統(tǒng)。
    應(yīng)用軟件控制小車的避障、攝像、發(fā)送視頻等行為。通信方面通過(guò)在主機(jī)端用vsttp軟件架設(shè)FTP服務(wù)器，并通過(guò)IEEE802．11g(RTL8187)無(wú)線網(wǎng)卡建立無(wú)線局域網(wǎng)。這樣，移動(dòng)終端就可以接收上位機(jī)的控制命令到達(dá)指定地點(diǎn)拍照并發(fā)送圖片，而PC機(jī)終端就可以接收通過(guò)Wi-Fi傳送過(guò)來(lái)的圖片。[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序利用MINI2440開發(fā)板提供的例程進(jìn)行改寫，并編譯進(jìn)內(nèi)核。
    攝像頭控制軟件mjpg-strearner由OpenWrt以軟件包形式提供，通過(guò)端口8080輸出為MJPEG格式的圖像。無(wú)線通信部分內(nèi)容為L(zhǎng)inux下socket編程，為客戶端提供遠(yuǎn)程控制支持。無(wú)線通信的部分代碼如下：
[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)通過(guò)MINI2440驅(qū)動(dòng)并控制攝像頭，通過(guò)串口控制底層的單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)無(wú)線網(wǎng)卡并連接，運(yùn)行服務(wù)端，提供UI界面。編譯完成后的OpenWrt效果圖如圖5所示。

結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)選用的OpenWrt操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)提供的軟件包簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開發(fā)流程，提高了開發(fā)效率。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以用于探測(cè)險(xiǎn)情、圖像采集、目標(biāo)定位、無(wú)線通信等領(lǐng)域。