基于OpenMV無線圖傳技術(shù)的搜救機(jī)械狗設(shè)計(jì)

劉天豪，王國(guó)俊，張凱璐

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

0 引言

目前，機(jī)器人的移動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、足式等。據(jù)調(diào)查，地球上仍有近一半的地面不適宜輪式和履帶式機(jī)器人行走，而足式機(jī)器人在通過簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)后便能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜地形，并且四足機(jī)器人的承載能力較強(qiáng)、靈活性高、穩(wěn)定性好，具有廣泛的應(yīng)用前景。自從美國(guó)于1980年開始研發(fā)第一款仿生四足機(jī)器人后，直到2016年，四足機(jī)器人才取得顛覆性的發(fā)展。自2016年以來，四足仿生機(jī)器人逐漸成為全球研究的熱點(diǎn)，有不同種類的四足仿生機(jī)器人問世。由于四足機(jī)器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形，所以具有很高的研究前景。在災(zāi)害搜救領(lǐng)域，主要利用搜救犬進(jìn)行救援行動(dòng)，但對(duì)于搜救犬的服從性、注意力、耐久性等具有很高的要求，需要嚴(yán)格地訓(xùn)練搜救犬，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，并且搜救犬不能及時(shí)地將搜救信息傳送給救援人員，所以需要對(duì)搜救領(lǐng)域進(jìn)行更深入的研究。因此，研究和發(fā)展仿生四足機(jī)器人對(duì)于搜救領(lǐng)域的發(fā)展具有很深遠(yuǎn)的影響。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)搜救工作的靈活控制、適應(yīng)復(fù)雜地形和環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一款基于OpenMV無線圖傳技術(shù)的搜救機(jī)械狗。這款機(jī)械狗具有體型小、體重輕等優(yōu)點(diǎn)，可以在狹小區(qū)域活動(dòng)并把圖像實(shí)時(shí)傳輸給操作者，實(shí)現(xiàn)輔助搜救功能。

1 搜救機(jī)械狗的總體設(shè)計(jì)

搜救機(jī)械狗的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括控制模塊、運(yùn)動(dòng)模塊和圖傳模塊。機(jī)械狗的身體為一塊長(zhǎng)35 cm、寬10 cm、高10 mm的亞格力板，其上裝有電池、控制模塊(STM32F103ZET6)和藍(lán)牙。運(yùn)動(dòng)模塊由12個(gè)舵機(jī)(ZX20D)、8條大小腿和舵機(jī)支架組成，腿部的兩個(gè)關(guān)節(jié)使用3個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)12個(gè)自由度，這樣可以很好地達(dá)到受力平衡的效果，也使機(jī)械狗本身不受自由度限制，具有很好的靈活性，能夠360°無死角地觀看周圍情況。圖傳模塊包含OpenMV4攝像頭以及與OpenMV4配套的WIFI模塊，用于傳輸圖像。機(jī)械狗配有一個(gè)用于控制移動(dòng)和接收信息的APP。

圖1 搜救機(jī)械狗的整體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械狗的工作原理

進(jìn)行搜救工作時(shí)，操作者將機(jī)械狗電源打開并用APP與機(jī)械狗的藍(lán)牙模塊和WIFI模塊連接后，可在APP中按動(dòng)按鈕發(fā)送指令控制機(jī)械狗的移動(dòng)，機(jī)械狗通過控制模塊中的藍(lán)牙來接收指令并完成相應(yīng)動(dòng)作。將OpenMV攝像頭所獲取到的圖片截取下來壓縮后傳輸至APP，操作者可在APP界面查看。

3 OpenMV無線圖傳的實(shí)現(xiàn)

近年來，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬圖像處理方式升級(jí)為嵌入式視覺處理模塊。本設(shè)計(jì)使用星瞳科技OpenMV出品的OpenMv4攝像頭和與其配套的WIFI擴(kuò)展板。

OpenMV的WIFI擴(kuò)展板采用atwinc1500 WIFI模組，用于傳輸視頻流，其傳輸速度高達(dá)48 Mb/s。連接上其后可將OpenMV變?yōu)橐粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，采用micro python內(nèi)置的socket網(wǎng)絡(luò)模塊可將數(shù)據(jù)、圖片傳輸至自己的服務(wù)器。

基于OpenMV的圖傳原理如圖2所示。需要設(shè)置熱點(diǎn)的名稱、密碼、端口、工作模式為AP模式(熱點(diǎn)模式)，從客戶端接受請(qǐng)求(允許鏈接熱點(diǎn))，初始化WINC模塊。使用while語句寫一個(gè)無限循環(huán)來傳輸視頻流，首先從攝像頭截取一張圖片，之后將圖像進(jìn)行壓縮，設(shè)置壓縮的質(zhì)量為35。每傳輸一張圖片便增加一個(gè)header，向客戶端發(fā)送圖片header以及其對(duì)應(yīng)的圖片，如此往復(fù)將攝像頭獲取的每一幀圖片發(fā)送至客戶端。

圖2 基于OpenMV的圖傳原理

4 APP軟件的設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，越來越多的APP軟件出現(xiàn)在手機(jī)上。人們對(duì)于手機(jī)APP的依賴也日益增長(zhǎng)，所以控制端使用手機(jī)APP。

通過HBuilder制作出接收并查看攝像頭視野的網(wǎng)頁，之后使用HBuilder的“一鍵云打包”制作出能夠在手機(jī)上下載并運(yùn)行的移動(dòng)端APP。設(shè)計(jì)的APP界面如圖3所示。

圖3 APP界面

手機(jī)端連接上OpenMV的熱點(diǎn)后打開APP便可以看到OpenMV攝像頭的視野。

5 樣機(jī)效果

制作的樣機(jī)如圖4所示，通過藍(lán)牙模塊發(fā)送指令控制其左移、前進(jìn)、右移、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退等。經(jīng)過測(cè)試機(jī)械狗可接收指令并完成自我運(yùn)動(dòng)。打開APP后攝像頭捕捉到的圖像可以實(shí)時(shí)顯示，顯示流暢不卡頓，滿足預(yù)期效果。

圖4 制作的樣機(jī)

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)使用總線舵機(jī)作為機(jī)械狗的基本動(dòng)力來源以及各個(gè)關(guān)節(jié)的支架，使其具有12個(gè)自由度，可靈活應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。視覺部分的無線圖傳技術(shù)使用了OpenMV攝像頭，具有很大的便捷性，并且使用python這門語言來編寫控制程序，大大降低了開發(fā)的難度。