基于WIFI數(shù)字圖像傳輸?shù)牟烧獧C(jī)器人交互終端研發(fā)

馬 茵，田 磊，韓孟洋

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

WIFI無線通信是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，可以將有線信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)，且支持眾多的通信終端，如PDA、手機(jī)和電腦設(shè)備等[1-4]。在大型商場(chǎng)和車站等很多公共場(chǎng)所都有WIFI信號(hào)覆蓋，可以在不連接聯(lián)通、移動(dòng)網(wǎng)的情況下直接上網(wǎng)，其應(yīng)用非常普及；但是，將WIFI使用在工程控制或者農(nóng)業(yè)領(lǐng)域還比較少[5-9]。相對(duì)于紅外線和藍(lán)牙無線通信，WIFI具有傳輸速度快和傳輸距離長等很多特點(diǎn)，將其用作數(shù)字圖像傳輸和控制信號(hào)發(fā)送都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且WIFI設(shè)備的上位機(jī)可以是常用的移動(dòng)設(shè)備，使用簡(jiǎn)單方便，將其使用在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10-13]。

1 基于WIFI的采摘機(jī)器人交互式終端總體設(shè)計(jì)

基于WIFI的交互式終端采摘機(jī)器人具有雙向通信的功能，一方面利用采摘機(jī)器人終端采集采摘作業(yè)環(huán)境信息，以數(shù)字圖像的形式發(fā)送給監(jiān)控終端；另一方面監(jiān)控終端可以對(duì)采摘機(jī)器人發(fā)出控制指令，這些數(shù)字圖像和指令的傳送都需要借助于WIFI無線通信[14-15]。基于WIFI的交互式終端采摘機(jī)器人主要由6部分組成，包括采摘機(jī)器人載體、無線WIFI路由設(shè)備、圖像采集設(shè)備、圖像處理云臺(tái)、控制板和采摘終端，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The block diagram of system design

在系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)中，最核心的部分是WIFI和MCU兩個(gè)核心模塊。其中，WIFI采用集成電路板的形式，相當(dāng)于一個(gè)小型路由器集成了各種端口；MCU主要負(fù)責(zé)圖像的采集和處理過程，其作業(yè)流程如圖2所示。

圖像采集裝備的鏡頭采用了300萬像素的CMOS攝像頭，可以輸出彩色的VGA 陣列，且圖像的輸送速率可以達(dá)到30幀/s，可以實(shí)時(shí)地傳送采集圖像。為了提高圖像的輸送速度和質(zhì)量，需要在輸送之前利用MCU核心處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理，主要處理項(xiàng)目包括顏色處理和圖像壓縮編碼，在圖像處理后便可以通過WIFI模塊進(jìn)行圖像傳輸[16-20]。WIFI和MCU系統(tǒng)共同作業(yè)的基本流程如圖3所示。

圖2 圖像采集和處理流程Fig.2 The flow of image acquisition and processing

圖3 采摘機(jī)器人WIFI和MCU模塊Fig.3 WIFI and MCU module of picking robot

監(jiān)控終端是上位機(jī)，可以采用PC或者手機(jī)設(shè)備，該終端設(shè)備可以接受WIFI模塊傳送過來的數(shù)字圖像信號(hào)，并可以將控制信號(hào)發(fā)送到機(jī)器人末端的MCU處理器，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而完成采摘作業(yè)。

2 圖像交互傳輸系統(tǒng)框架和信號(hào)檢測(cè)算法

在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中，由于山區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，其數(shù)字圖像傳輸?shù)耐ㄐ艈栴}是首先需要解決的問題[21-23]。為了保證通信質(zhì)量，需要對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，消除干擾的影響。迫零判決反饋均衡ZF-DFE檢測(cè)算法是一種非常高效的檢測(cè)算法，算法檢測(cè)信號(hào)時(shí)是一個(gè)個(gè)的檢測(cè)，并且可以消除干擾信號(hào)。其檢測(cè)過程是先檢測(cè)x信號(hào)分量x1，在保證該信號(hào)沒有干擾后，再繼續(xù)檢測(cè)信號(hào)分量x2，在檢測(cè)時(shí)需要將信道矩陣H進(jìn)行QL分解，通過分解可得

H=FTS

(1)

其中，S表示K×K的下三角矩陣，F(xiàn)表示K×K的正交矩陣，其表達(dá)式為

(2)

將WIFI檢測(cè)器接收到的信號(hào)y與F相乘得到

y'=Fy=F(FTSx+n)=Sx+Fn

(3)

因?yàn)镕是正交矩陣，所以不會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生增強(qiáng)的效果，于是可得

(4)

其中，xl表示信號(hào)分量，除以Skk得到

(5)

當(dāng)k=1時(shí)，有

(6)

當(dāng)k>1時(shí)，有

(7)

為了使信號(hào)檢測(cè)算法更加準(zhǔn)確，采用V-BLAST算法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)之前，首先根據(jù)信號(hào)干擾對(duì)信號(hào)進(jìn)行排序，其表達(dá)式為

y'=H-1y=x+H-1n

(8)

對(duì)信號(hào)進(jìn)行排序后，首先受到干擾信號(hào)影響最小的y′的分量先被檢測(cè)出來，干擾信號(hào)分量是式(8)中H-1的向量中的最小值對(duì)應(yīng)的k1，將信號(hào)的干擾去掉后便可以檢測(cè)出原信號(hào)，其表達(dá)式為

(9)

y(2)=H(2)x+n

(10)

根據(jù)干擾信號(hào)的排序，對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以利用H(2)的偽逆矩陣，對(duì)信號(hào)進(jìn)行迫零均衡監(jiān)測(cè)，然后重新找到信號(hào)向量的最小值進(jìn)行檢測(cè)，去掉干擾信號(hào)后繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)信號(hào)。

如圖4所示：數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)采用ARM處理器，軟件部分使用 Linux 操作系統(tǒng)，圖像傳輸采用WIFI無線傳輸，并通過數(shù)字圖像編碼加快圖像的傳輸速度，最后在監(jiān)控終端對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，消除噪聲的干擾。

圖4 數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)硬件框架Fig.4 The hardware architecture of digital image transmission system

如圖5所示：軟件部分主要是基于Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)框架具有較好開源性、兼容性和穩(wěn)定性，并具有雙向通信控制模塊，在可以接收采摘機(jī)器人發(fā)送的數(shù)字圖像的同時(shí)，還具有控制指令的發(fā)送功能。

圖5 軟件系統(tǒng)框架Fig.5 The software architecture

3 數(shù)字圖像傳輸交互性測(cè)試

在實(shí)際通信時(shí)，相對(duì)于其他無線通信方式，WIFI通信的距離比較長，因此采用WIFI無線傳輸對(duì)采摘機(jī)器人的數(shù)字圖像傳輸和雙向通信能力進(jìn)行測(cè)試[24-27]。測(cè)試的主要功能監(jiān)控端和采摘機(jī)器人包括實(shí)時(shí)圖像傳輸、監(jiān)控中心發(fā)出控制指令及機(jī)器人接收端誤碼率等，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮诵牟糠质荳IFI通信集成板，為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將WIFI模板簡(jiǎn)化成了一個(gè)無線路由器，并擴(kuò)展了充電接口，同時(shí)設(shè)計(jì)了USB攝像頭接口，其實(shí)物如圖7所示。

圖6 采摘機(jī)器人通信實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.6 The experimental model of robot communication

圖7 無線WIFI通信集成板實(shí)物圖Fig.7 The physical diagram of wireless WIFI communication integration board

使用攝像機(jī)捕獲的視頻可以通過USB接口傳輸?shù)奖O(jiān)控端，然后監(jiān)控端根據(jù)實(shí)時(shí)圖像信息，對(duì)采摘機(jī)器人末端發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)交互式通信，通過對(duì)圖像傳輸性能的測(cè)試，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 監(jiān)控端不同通信方式數(shù)字圖像傳輸性能對(duì)比測(cè)試

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：利用WIFI通信相比其他方式的通信，具有很多優(yōu)勢(shì)，其傳送距離較長，可以滿足復(fù)雜山區(qū)的采摘作業(yè)需求，傳送速度也較快。對(duì)誤碼率進(jìn)行了測(cè)試，得到了如圖8所示的測(cè)試結(jié)果。

圖8 機(jī)器人端接收信號(hào)信噪比-誤碼率曲線Fig.8 The signal to noise ratio error rate curve of the received signal at the end of the robot

由圖8可知：隨著信噪比的增大，誤碼率呈下降趨勢(shì)，但總體誤碼率較小，說明即便在復(fù)雜的山區(qū)作業(yè)，控制中心發(fā)出指令后，在采摘機(jī)器人端可以接收到較高質(zhì)量的指令信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)交互式通信。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)一些危險(xiǎn)復(fù)雜地帶的采摘作業(yè)，提出了一款具有雙向通信的采摘機(jī)器人，在作業(yè)過程中可以實(shí)時(shí)傳送回作業(yè)環(huán)境圖像，也可以雙向接受控制終端發(fā)出的控制指令。采摘機(jī)器人的上位機(jī)采用了PC機(jī)和手機(jī)作為控制終端，利用WIFI無線通信模塊進(jìn)行數(shù)字圖像和控制指令的傳送，圖像和控制指令的處理使用了MCU核心處理器，圖像的采集設(shè)備是COMS高清相機(jī)。為了驗(yàn)證裝置的可行性，對(duì)雙向通信的速度、距離和誤碼率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：相比其他通信方式，采用WIFI無線通信設(shè)計(jì)的該款采摘機(jī)器人的通信速度較快，通信距離較遠(yuǎn)，誤碼率較低，滿足設(shè)計(jì)需求。

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