嵌入式智能小車自動(dòng)循跡初探

李英杰

摘 要：此嵌入式智能小車的組成主要包括ARM硬件體系下的控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、紅外探測(cè)電路、超聲波避障電路等。系統(tǒng)以嵌入式Linux微控制器為核心，通過紅外探測(cè)電路傳感器采集不同的信號(hào)做出判斷，繼而改變電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、自動(dòng)循跡和避障功能，攝像頭舵機(jī)的水平和垂直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用Qt Creator生成客戶端工程，通過PC端的WiFi連接，控制智能小車的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小車上的攝像頭可以將實(shí)時(shí)的畫面?zhèn)骰貋怼?/p>

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux微控制器；自動(dòng)循跡；避障；無線網(wǎng)絡(luò)連接控制；Qt Creator

在當(dāng)前的環(huán)境中，隨著科技的進(jìn)步，智能化車輛或者與智能化車輛相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)開始作為各式各樣自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，這其中主要包括了物流配送或者交通運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)。而機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)循跡和避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)和自動(dòng)循跡的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。我們的自動(dòng)避障小車就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。 意義隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為熱門，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。小車可以通過傳感器來獲取當(dāng)前道路狀況，然后將傳感器獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎幚砥髟俳Y(jié)合小車當(dāng)前的行駛狀態(tài)，迅速地進(jìn)行計(jì)算，對(duì)小車的行駛的方向和行車的速度進(jìn)行快速的調(diào)整改變，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)道路進(jìn)行迅速準(zhǔn)確的跟蹤。

1 術(shù)語定義

server_video：C視頻服務(wù)器（mjpeg圖片）

client_video：QT視頻客戶端

通信協(xié)議：

client：發(fā)送“pic”

server：回復(fù)“XXXXlen”（xxxx代表圖片的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)）

client：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)量進(jìn)行圖片的循環(huán)接收，接收完畢，顯示在客戶端

小車IP：192.168.1.1

小車控制端端口：2001

小車視頻端端口：8888

小車控制命令：

停止 FF 00 00 00 FF

前進(jìn) FF 00 01 00 FF

后退 FF 00 02 00 FF

左轉(zhuǎn) FF 00 03 00 FF

右轉(zhuǎn) FF 00 04 00 FF

可以參考如下格式保存命令

static unsigned char cmd[5] = {0xff，0x00，0x01，0x00，0xff}； //up

static unsigned char cmd[5] = {0xff，0x00，0x02，0x00，0xff}； //down

static unsigned char cmd[5] = {0xff，0x00，0x03，0x00，0xff}； //left

static unsigned char cmd[5] = {0xff，0x00，0x04，0x00，0xff}； //right

static unsigned char cmd[5] = {0xff，0x00，0x00，0x00，0xff}； //stop

波特率：9600 無校驗(yàn) 8位數(shù)據(jù)位 1位停止位

2 系統(tǒng)概述

編寫能使小車運(yùn)動(dòng)和攝像等程序。用已有的小車模型，調(diào)試好WiFi模塊和其硬件和軟件，利用這樣的方法來實(shí)現(xiàn)電腦端來通過路由器在無線傳輸?shù)姆绞綄?duì)小車進(jìn)行控制，從而驅(qū)動(dòng)WiFi小車的運(yùn)動(dòng)和攝影等一系列指令。

具體要求如下：

a）控制客戶端數(shù)據(jù)發(fā)送給小車。

b）前進(jìn)：四個(gè)車輪能夠同時(shí)朝著前進(jìn)的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證速度一致；

c）后退：四個(gè)車輪能夠同時(shí)朝著后退的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，保證速度一致；

d）左轉(zhuǎn)：左邊的兩個(gè)輪子靜止，而右邊的兩個(gè)輪子前進(jìn)

e）右轉(zhuǎn)：右邊的兩個(gè)輪子靜止，而左邊的兩個(gè)輪子前進(jìn)

f）通過無線網(wǎng)對(duì)小車攝像頭采集的信息來傳送。

g）服務(wù)器圖片的存儲(chǔ)和鏈接客戶端并將圖片發(fā)送給客戶端。

h）連續(xù)接受圖片并且打印成連續(xù)照片顯示。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架

3.2 結(jié)構(gòu)體描述

部分一：

參數(shù)說明：參數(shù)類型為V4L2的能力描述類型struct v4l2_capability；

返回值說明：執(zhí)行成功時(shí)，函數(shù)返回值為0；函數(shù)執(zhí)行成功后，struct v4l2_capability結(jié)構(gòu)體變量中的返回當(dāng)前視頻設(shè)備所支持的功能：例如支持視頻捕獲功能V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE、V4L2_CAP_STREAMING等

Struct v4l2_capability

{

_u8 driver[16]；

_u8 card[32]；

_u8 bus_info[32]；

_u32 version；

_u32 capabilities；

_u32 reserved[4]；

}；

Capabilities 常用值；

V4L2_CAP_VIDEO_CAPTURE

部分二：

設(shè)置視頻設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)格式，例如設(shè)置視頻圖像數(shù)據(jù)的長、寬，圖像格式（JPEG、YUYV格式）；

參數(shù)說明；參數(shù)類型為V4L2的視頻數(shù)據(jù)格式類型struct v4l2_format；

返回值說明：執(zhí)行成功是，函數(shù)返回值為0；

struct v4l2_format

{

enum v4l2_buf_type type；

union

{

struct v4l2_pix_format pix；

struct v4l2_window win；

struct v4l2_vbi_format vbi；

__u8 raw_data[200]；

} fmt；

}；

struct v4l2_pix_format{

_u32 width；

_u32 height；

_u32 pixelformat；

Enum v4l2 field field；

_u32 bytesperline；

_u32 sizeimage；

Enum v4l2 _colorspace colorspace；

_u32 priv；

}；

部分三：

功能：請(qǐng)求V4L2驅(qū)動(dòng)分配視頻緩沖區(qū)（申請(qǐng)V4L2視頻驅(qū)動(dòng)分配內(nèi)存），V4L2是頻頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)層，位于內(nèi)核空間，所以通過VIDIOC_REQBBUFS控制命令字申請(qǐng)的內(nèi)存位于內(nèi)核空間，應(yīng)用程序不能直接訪問，需要通過調(diào)用mmap內(nèi)存映射函數(shù)把內(nèi)核空間內(nèi)存映射到用戶空間后，應(yīng)用程序通過訪問用戶空間地址來訪問內(nèi)核空間。

參數(shù)說明：參數(shù)類型為V4L2的申請(qǐng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體類型struct v4l2_requestbuffers；

返回值說明：執(zhí)行成功時(shí)，函數(shù)返回值為0；V4L2驅(qū)動(dòng)層分配好了視頻緩沖區(qū)。接下來可以為視頻捕獲分配內(nèi)存：

struct v4l2_requestbuffers req；

if （ioctl（fd， VIDIOC_REQBUFS， &req;） == -1） {

return -1；

}

v4l2_requestbuffers 結(jié)構(gòu)如下：

struct v4l2_requestbuffers

{

__u32 count；

enum v4l2_buf_type type； //V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE

enum v4l2_memory memory；//V4L2_MEMORY_MMAP 或V4L2_MEMORY_USERPTR

__u32 reserved[2]；

}；

部分四：

使用VIDIOC_REQBUFS，我們獲取了req.count個(gè)緩存，下一步通過調(diào)用VIDIOC_QUERYBUF命令來獲取這些緩存的地址，然后使用mmap函數(shù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)用程序中的絕對(duì)地址，最后把這段緩存放入緩存隊(duì)列：

typedef struct VideoBuffer {

void *start；

size_t length；

} VideoBuffer；

VideoBuffer* buffers = calloc（ req.count， sizeof（*buffers） ）；

struct v4l2_buffer buf；

for （numBufs = 0； numBufs < req.count； numBufs++） {

memset（ &buf;， 0， sizeof（buf） ）；

buf.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；

buf.memory = V4L2_MEMORY_MMAP；

buf.index = numBufs；

if （ioctl（fd， VIDIOC_QUERYBUF， &buf;） == -1）

{

return -1；

}

buffers[numBufs].length = buf.length；

buffers[numBufs].start = mmap（NULL， buf.length， PROT_READ | PROT_WRITE，

MAP_SHARED，fd， buf.m.offset）；

if （buffers[numBufs].start == MAP_FAILED） {

return -1；

}

if （ioctl（fd， VIDIOC_QBUF， &buf;） == -1） {

return -1；

}

}

部分五：

V4L2有一個(gè)數(shù)據(jù)緩存，存放req.count數(shù)量的緩存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩存采用FIFO的方式，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用緩存數(shù)據(jù)時(shí)，緩存隊(duì)列將最先采集到的視頻數(shù)據(jù)緩存送出，并重新采集一張視頻數(shù)據(jù)。這個(gè)過程需要用到兩個(gè)ioctl命令，VIDIOC_DQBUF和VIDIOC_QBUF：

struct v4l2_buffer buf；

memset（&buf;，0，sizeof（buf））；

buf.type=V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；

buf.memory=V4L2_MEMORY_MMAP；

buf.index=0；

if （ioctl（cameraFd， VIDIOC_DQBUF， &buf;） == -1）

{

return -1；

}

if （ioctl（cameraFd， VIDIOC_QBUF， &buf;） == -1） {

return -1；

}

4 視頻采集模塊

4.1 視頻采集介紹

使用攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之中。視頻采集模塊通過建立視頻驅(qū)動(dòng)模塊，處理應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的幀緩沖區(qū)的同步。例如，一個(gè)視頻顯示驅(qū)動(dòng)必須始終顯示視頻數(shù)據(jù)，直到應(yīng)用程序給它另一幀視頻數(shù)據(jù)去顯示，它才會(huì)將上一幀緩沖區(qū)返回給應(yīng)用程序。執(zhí)行這種同步最有效的方式就是定義一個(gè)單獨(dú)的API調(diào)用來負(fù)責(zé)緩沖區(qū)交換。同樣一個(gè)視頻捕獲驅(qū)動(dòng)必須始終返回最新捕獲的視頻數(shù)據(jù)，這要求驅(qū)動(dòng)在下一次緩沖區(qū)交換發(fā)生之前至少保留一個(gè)幀緩沖區(qū)。該模塊具有采集壓縮速度快、圖象質(zhì)量好、產(chǎn)生的JPEG文件小、接口通信速率高等特點(diǎn)，適合需要嵌入式圖象采集的各種應(yīng)用，特別是無線或低速率網(wǎng)絡(luò)通信下的圖象應(yīng)用。

4.2視頻采集相關(guān)接口

//初始化視頻采集設(shè)備

int camera_init（char *devpath， unsigned int *width， unsigned int *height， unsigned int *size）

//開啟視頻監(jiān)控

int camera_start（int fd）；

//采集視頻信息

int camera_dqbuf（int fd， void *buf， unsigned int *size， unsigned int *index）；

//停止視頻采集

int camera_stop（int fd）；

//關(guān)閉視頻監(jiān)控

int camera_exit（int fd）；

//控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

QString str=this->ui->lineEdit->text（）；

QByteArray arr； QDataStream dst（&arr;，QIODevice：：ReadWrite

dst<

this->socket->write（arr）；

5 客戶端顯示模塊

5.1 功能描述

客戶端顯示模塊主要是將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過處理傳送到linux顯示設(shè)備上來，實(shí)現(xiàn)視頻流的顯示，來使客戶及使用者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能和以此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5.2 流程圖

5.3 相關(guān)代碼

int init_lcd（char *pathname）；

int tcp_client_init（）；

int tcp_client_connect（int sockfd，char *ip，const int port）；

int tcp_client_recv（int sockfd，void *buf，int count）；

int showrgb（int fd，unsigned，int width，int height）；

int close_lcd（int fd）；

5.4 主要思想

每次獲取圖片之前，先進(jìn)性圖片數(shù)據(jù)的解析，存放到一個(gè)定義的字符串?dāng)?shù)組中，之后進(jìn)行讀操作。在進(jìn)行都操作時(shí)，先讀取前24個(gè)字節(jié)利用strstr函數(shù)得到第一次出現(xiàn)len的地址將其值賦值為/0，就可以取出/0之前的數(shù)據(jù)得到此次接收?qǐng)D片的大小，然后根據(jù)大小讀取數(shù)據(jù)，最終當(dāng)收到一副圖片的數(shù)據(jù)時(shí)完成顯示，因?yàn)橐曨l相當(dāng)于多幅圖片的連續(xù)播放，故定義一個(gè)定時(shí)器使圖片循環(huán)顯示。

5.5 運(yùn)行

使用Qt運(yùn)行客戶端程序，并將IP設(shè)置為：192.168.1.1（路由板IP），端口號(hào)設(shè)置為：8888

點(diǎn)擊START按鈕，我們就可以看到攝像頭采集到的視頻信息。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 董宗祥，石紅瑞，楊杰.嵌入式測(cè)控智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)計(jì)量與控制，2010.18（2）

[3] 邢曉敏，楊正祥.嵌入式智能小車設(shè)計(jì)[J] .自動(dòng)化應(yīng)用.2017（05）

[4] 陳俊如.基于Android控制臺(tái)的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] . 科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2018（08）