基于STM32的智能移動(dòng)拍攝手臂

李明喆　劉蕭鍵

摘要：智能移動(dòng)拍攝手臂是一種模仿人的手和臂設(shè)計(jì)的一種智能裝置，該裝置通過(guò)攝像頭將獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳輸給單片機(jī)后，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，圖像數(shù)據(jù)顯示在移動(dòng)終端。本文主要敘述了智能移動(dòng)拍攝手臂的總體設(shè)計(jì)以及硬件和軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：智能手臂;圖像傳輸;無(wú)線(xiàn)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0014-02

0 引言

智能移動(dòng)拍攝手臂是以STM32為核心，以舵機(jī)、電機(jī)、攝像頭、WiFi模塊為外部固件，使用下半部分為履帶小車(chē)和上半部分為智能拍攝手臂作為基本構(gòu)架，完成對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的攝像和作業(yè)。控制模塊主要控制小車(chē)履帶的運(yùn)動(dòng)和舵機(jī)的角度變換。此設(shè)計(jì)通過(guò)WiFi通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，接收來(lái)自手機(jī)的命令信號(hào)，分析控制命令。控制小車(chē)向控制方向行進(jìn)、躲避障礙物，將攝像頭返回的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸至移動(dòng)終端顯示，通過(guò)控制端進(jìn)行監(jiān)控和操作。它可以幫助人類(lèi)完成因靈活性等制約因素而很難完成的工作，例如自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)攝像等工作。智能移動(dòng)拍攝手臂可通過(guò)移動(dòng)終端系統(tǒng)改變軟件參數(shù)實(shí)現(xiàn)其前、后、左、右移動(dòng)以及舵機(jī)移動(dòng)等功能[1]。本文主要從系統(tǒng)工作原理和硬件電路中主控芯片、攝像頭和無(wú)線(xiàn)通信模塊等方面，來(lái)分析基于STM32的智能移動(dòng)拍攝手臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本設(shè)計(jì)由STM32單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Android移動(dòng)終端系統(tǒng)模塊、圖像采集模塊和WiFi通信模塊四大模塊組成。其中，STM32單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由STM32控制板、電機(jī)、舵機(jī)等組成;圖像采集模塊的任務(wù)由攝像頭完成;移動(dòng)終端中載有軟件可以對(duì)接收?qǐng)D像進(jìn)行處理并發(fā)送命令使小車(chē)履帶及舵機(jī)運(yùn)動(dòng);中間數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

智能移動(dòng)拍攝手臂使用攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，返回的圖像信息經(jīng)單片機(jī)模塊后使用WiFi通信模塊傳輸至移動(dòng)終端系統(tǒng)處理顯示;控制者根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)判斷并控制車(chē)底盤(pán)模塊;控制數(shù)據(jù)被傳輸至驅(qū)動(dòng)模塊后，單片機(jī)輸出PWM波控制直流電機(jī)進(jìn)而控制舵機(jī)的角度變換及履帶的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能拍攝手臂的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊中采用STM32為主控芯片，控制直流電機(jī)進(jìn)而控制由舵機(jī)組成的機(jī)械臂和履帶電機(jī);數(shù)據(jù)采集模塊使用攝像頭來(lái)完成;無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊使用WiFi通信模塊;移動(dòng)終端系統(tǒng)采用移動(dòng)手機(jī)上APP實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)模式圖如圖2所示。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

（1）主控芯片。本設(shè)備的主控芯片選用STM32F103RBT6，有三種低功耗模式，分別是睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式，具有容量大、芯片資源豐富、數(shù)據(jù)處理快等特點(diǎn)，便與實(shí)現(xiàn)傳送圖像數(shù)據(jù)等多種功能，且價(jià)格低廉，有利于節(jié)省成本。（2）電機(jī)模塊。直流電機(jī)有很好的調(diào)速性能，安全性好、使用壽命長(zhǎng)并且噪聲低。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298P，可以使小車(chē)有足夠的驅(qū)動(dòng)力。本設(shè)計(jì)中主控模塊可根據(jù)接收到的來(lái)自移動(dòng)終端系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整輸出PWM波，控制直流電機(jī)運(yùn)行進(jìn)而控制履帶的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能拍攝手臂的運(yùn)動(dòng)。（3）攝像頭模塊。攝像頭模塊作為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的核心部件，被廣泛地應(yīng)用在安防、探險(xiǎn)以及各類(lèi)檢測(cè)等場(chǎng)合。攝像頭選用的是OV2640模塊，該傳感器支持輸出最大為二百萬(wàn)像素的圖像，還可以對(duì)采集得的圖像進(jìn)行補(bǔ)償，還支持一些基礎(chǔ)處理方式。傳感器輸出圖像數(shù)據(jù)的幀率可調(diào)（十五至六十幀）。每一個(gè)像素點(diǎn)儲(chǔ)存16位的數(shù)據(jù)來(lái)表示顏色，若想要分辨周?chē)沫h(huán)境確切值，也可以通過(guò)讀取像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)確定。（4）WiFi通信模塊。電源連接穩(wěn)壓模塊使工作電壓為5V的無(wú)線(xiàn)通信模塊能夠正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中使用了體積較小的路由器作為WiFi模塊，可按自己的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行配置，使得移動(dòng)終端連接至智能移動(dòng)拍攝手臂更加方便，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為控制部分和移動(dòng)終端APP兩個(gè)部分。軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

控制部分程序主要是由攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)被傳輸至驅(qū)動(dòng)模塊組成。攝像頭返回的圖像信息實(shí)時(shí)通過(guò)WiFi通信模塊傳輸至移動(dòng)終端系統(tǒng)處理顯示，單片機(jī)輸出PWM波對(duì)機(jī)械臂和電機(jī)模塊進(jìn)行控制。移動(dòng)終端的APP基于Android操作系統(tǒng)，使用Java語(yǔ)言設(shè)計(jì)。移動(dòng)終端系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸使控制協(xié)議將參數(shù)發(fā)送到WiFi模塊上，移動(dòng)終端在同一WLAN范圍內(nèi)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)置的固定IP地址使之接收到圖像信息。使用陀螺儀作為信號(hào)傳感器。陀螺儀其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。通過(guò)程序控制移動(dòng)器械手臂中舵機(jī)角度變換等操作，通過(guò)攝像頭將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回移動(dòng)終端[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單地分析了硬件和軟件的設(shè)計(jì)思路，完成了智能移動(dòng)拍攝手臂的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足我們的返回圖像信息、移動(dòng)等作業(yè)要求。拍攝手臂通過(guò)攝像頭將獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳輸給單片機(jī)后，無(wú)線(xiàn)傳輸，采集到的圖像數(shù)據(jù)顯示在移動(dòng)終端，通過(guò)移動(dòng)終端的控制，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)和舵機(jī)的角度變換，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳淑艷，陳文家.履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)電工程，2007，24（12）：109-112.

[2] 梁鋒，王志良，解侖，等.多舵機(jī)控制在類(lèi)人機(jī)器人上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（2）：242-243.

[3] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式設(shè)計(jì)[M].中國(guó)電力出版社，2012.

Smart Mobile Shooting Arm Based on STM32

LI Ming-zhe， LIU Xiao-jian

（Northwest University for Nationalities ， Lanzhou Gansu? 730000）

Abstract：Intelligent mobile shooting arm is an intelligent device designed to imitate the human hand and arm， the device transmits the acquired image data to the single chip computer through the camera， and then transmits it through wireless communication， the image data is displayed on the mobile terminal. This paper mainly describes the overall design of intelligent mobile shooting arm and the design and implementation of hardware and software.

Key words：intelligent arm; image transmission; wireless control