CN109460026A - 一种基于无线视频传输的多功能巡线小车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电气工程及其自动化技术领域的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，包括小车部分、手机APP终端以及PC上位机终端三个部分组成，其中所述小车部分包括主控制器、副控制器、电平转换模块、循迹模块、机械臂、蓝牙模块、步进电机模块、温度采集模块、电机驱动模块、舵机模块、图像采集模块、WIFI模块、继电器模块以及摄像头闪光灯，本发明使用舵机转向控制，利用模糊控制算法控制舵机转向使小车能准确无误的按照事先标定的黑色轨道循迹行走，当小车脱离轨道时能够搜索并返回轨道。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，具体为电气工程及其自动化技术领域。
背景技术
伴随着科技发展的步伐，人们生活的步伐也随着加快，人们对产品智能化的需求在不断提升。运用智能化的机器代替人力，减轻人力劳动负担从而提高工作效率成为当前科技领域的热门，但是随着无线通信技术的飞速发展，越来越多的自动化***利用无线通信技术来实现数据的无线传输，最终实现远程控制与数据采集等功能。代替人类出入危险及无法到达的场所，收集现场信息，对信息的分析与处理，根据处理结果做出相应的动作。
时代的进步，生活水平的不断提高，应用于生活的科技产品大量涌现：智能扫地器，智能家具，服务机器人等，这些高科技的最大吸引点点就是给人们的生活带来乐趣和方便，所以智能科技的发展是及其必要的。为了更加体现科技的魅力，它被应用到军事，医疗，制造等生活中的每个方面，并且起着决定的因素，无线通信机器人就是智能科技的产物之一，它给我们带来了乐趣和便捷。
智能机器人作为人类的生产工具，减少人们的劳动量，在提高生产品质和改变生产模式的前提下，将人们从极度危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来表现出很好的优越性。人类现代文明要不断进步发展，所以生产领域在不断发展，科技探索领域在不断深入，人们常常要进入危险复杂环境和人所不能及的环境作业，为了成功完成作业任务并保证人身安全，研究远程控制智能机器人是一个十分有必要的课题。为此，我们提出了一种基于无线视频传输的多功能巡线小车投入使用，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，包括小车部分、手机APP终端以及PC上位机终端三个部分组成，其中所述小车部分包括主控制器、副控制器、电平转换模块、循迹模块、机械臂、蓝牙模块、步进电机模块、温度采集模块、电机驱动模块、舵机模块、图像采集模块、WIFI模块、继电器模块以及摄像头闪光灯；
所述循迹模块为黑色胶带所制作的道路，即小车在贴有黑色的胶带上行驶，由于黑色和白色发射回去的强度不同，可根据接收到的光强度来判断轨迹；所述机械臂用于清理小车周边的故障；所述蓝牙模块用于小车与手机APP 终端之间的通信，所述主控制器接收并执行由手机APP终端下达的各种控制指令，并将采集到的信息上传至手机APP终端；所述温度采集模块用于采集当前的温度，并上传至所述主控制器中；所述舵机模块通过手机APP终端控制小车的运行，实现小车左、右转向，并驱动所述机械臂移除障碍物；所述步进电机模块用于控制所述图像采集模块中的摄像头的旋转；
所述图像采集模块用于随着小车的运行，实时采集周边的图像；所述WIFI 模块用于将所述图像采集模块采集的实时图像上传至PC上位机终端；所述继电器模块用于控制摄像头闪光灯的开合状态；所述摄像头闪光灯用于防止小车周围灯光太暗，避免在PC上位机终端上远程观察不到周围环境的问题；
所述手机APP终端用于将手机与小车上的所述蓝牙模块进行通信，使用谷歌开发平台上设计APP，在APP界面上，有不同的按钮，功能为小车的基本控制(前后左右)、四自由度所述机械臂控制、温度采集、重力感应、摄像头旋转指令按钮，通过给单片机发送不同的指令，小车做执行相应的动作；
所述PC上位机终端通过所述图像采集模块对小车所在位置的当前图像进行采集，通过所述副控制器进行相应的处理，通过所述WIFI模块传到所述PC 上位机终端上，进行实时显示，人们通过观察当前图像信息，做出判断来通过所述手机APP终端控制各小车执行相应的模式。
优选的，所述主控制器为MSP439F149单片机，内置60KB的FLASH存储器以及2KB的数据存储器，在其活动模式时耗电250μA/MIPS，输入端口的漏电流最大为50nA。
优选的，所述电机驱动模块采用电压大电流大的L298N双桥驱动芯片，其工作电压46V，输出电流2A。
优选的，所述循迹模块以TCRT5000传感器作为小车循迹模式的传感器，集成5路循迹传感器，其检测距离为0.5-40mm。
优选的，所述图像采集模块采用OV2640摄像头，摄像头输出的最大分辨率为1200*1000，输出的格式是YUV和RGB，JPEG的图像，图像传输速度最高可以达到达到15帧/秒。
优选的，所述机械臂包括可360°旋转的底座，且底座与步进电机模块上的输出轴连接。
优选的，所述电平转换模块的型号为LM3.3，能够实现5V传感器直接与 3.3V主控制器的I/O口连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用舵机转向控制，利用模糊控制算法控制舵机转向使小车能准确无误的按照事先标定的黑色轨道循迹行走，当小车脱离轨道时能够搜索并返回轨道；当人们在PC机的上位机观察到采集的图像经过副控制器的处理的图像信息时，发现前方有障碍物，通过手机APP控制四自由度机械臂将障碍物放到指定位置；本发明能够采集当前所处环境的温湿度信息，通过蓝牙模块上传到手机APP上，实时显示；利用APP平台通过短信通信完成对小车的远程控制；本***通过摄像头对当前图像进行采集，并且通过步进电机制作的摄像头云台可以360°全方位采集视频，通过副控制器进行相应的处理，通过无线WIFI模块传到PC机上，进行实时显示，以便于观察当前图像信息，如果晚上工作，可以通过上位机控制LED，使***可以在不同亮暗的环境下进行工作。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明手机APP控制流程图；
图3为本发明主控制器流程图；
图4为本发明小车的基本控制流程图；
图5为本发明循迹程序流程图；
图6为本发明机械臂工作流程图；
图7为本发明副控制器流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，包括小车部分、手机APP终端以及PC上位机终端三个部分组成，其中所述小车部分包括主控制器、副控制器、电平转换模块、循迹模块、机械臂、蓝牙模块、步进电机模块、温度采集模块、电机驱动模块、舵机模块、图像采集模块、WIFI模块、继电器模块以及摄像头闪光灯；
所述循迹模块为黑色胶带所制作的道路，即小车在贴有黑色的胶带上行驶，由于黑色和白色发射回去的强度不同，可根据接收到的光强度来判断轨迹；所述机械臂用于清理小车周边的故障；所述蓝牙模块用于小车与手机APP 终端之间的通信，所述主控制器接收并执行由手机APP终端下达的各种控制指令，并将采集到的信息上传至手机APP终端；所述温度采集模块用于采集当前的温度，并上传至所述主控制器中；所述舵机模块通过手机APP终端控制小车的运行，实现小车左、右转向，并驱动所述机械臂移除障碍物；所述步进电机模块用于控制所述图像采集模块中的摄像头的旋转；
所述图像采集模块用于随着小车的运行，实时采集周边的图像；所述WIFI 模块用于将所述图像采集模块采集的实时图像上传至PC上位机终端；所述继电器模块用于控制摄像头闪光灯的开合状态；所述摄像头闪光灯用于防止小车周围灯光太暗，避免在PC上位机终端上远程观察不到周围环境的问题；
所述手机APP终端用于将手机与小车上的所述蓝牙模块进行通信，使用谷歌开发平台上设计APP，在APP界面上，有不同的按钮，功能为小车的基本控制(前后左右)、四自由度所述机械臂控制、温度采集、重力感应、摄像头旋转指令按钮，通过给单片机发送不同的指令，小车做执行相应的动作；
所述PC上位机终端通过所述图像采集模块对小车所在位置的当前图像进行采集，通过所述副控制器进行相应的处理，通过所述WIFI模块传到所述PC 上位机终端上，进行实时显示，人们通过观察当前图像信息，做出判断来通过所述手机APP终端控制各小车执行相应的模式。
其中，所述主控制器为MSP439F149单片机，内置60KB的FLASH存储器以及2KB的数据存储器，在其活动模式时耗电250μA/MIPS，输入端口的漏电流最大为50nA，所述电机驱动模块采用电压大电流大的L298N双桥驱动芯片，其工作电压46V，输出电流2A，所述循迹模块以TCRT5000传感器作为小车循迹模式的传感器，集成5路循迹传感器，其检测距离为0.5-40mm，所述图像采集模块采用OV2640摄像头，摄像头输出的最大分辨率为1200*1000，输出的格式是YUV和RGB，JPEG的图像，图像传输速度最高可以达到达到15帧/ 秒，所述机械臂包括可360°旋转的底座，且底座与步进电机模块上的输出轴连接，所述电平转换模块的型号为LM3.3，能够实现5V传感器直接与3.3V主控制器的I/O口连接。
工作原理：本发明采用双电源供电，先使用12V电池一部分直接给电机驱动模块供电，另一部分用XL4015降压模块将12V电压降为5V，给其他模块供电，再用两节3.7V的电池用降压模块LM2596S将7.4V电压降为5V，直接给四自由度机械臂供电，通过蓝牙模块，将手机与小车上的主控器进行通信，用手机APP终端给主控制器发送指令，各模块进行不同的动作；由5v电源模块给各模块供电，PC上位机终端通过WIFI模块与小车进行无线通信,将图像采集模块采集的图片经过副控制器处理后，传输到PC上位机终端上进行显示；
在本发明中的循迹模式中，循迹模块的轨道为宽2cm的黑色轨道，选用的是TCRT5000传感器作为***的循迹模式的传感器，该传感器由一个红外对管组成，由于红外对管产生的是模拟信号，所以电路设计时，经过比较器将其转换为高低电平，可以稳定的输出信号。循迹的原理：红外光对不同颜色具有不同的反射系数，由此将轨道设计为黑白两个区域(黑色轨道)。红外发射管连续红外光，若果红外接收管接收到反射回的红外线，则被认为为白色区域。若接收管收不到信号，则认为是轨道。通过5路循迹模块来检测路面的情况，实时的返回给主控制器处理，并且执行相应的动作，以保证小车能够精确而稳定的寻找黑线，并且顺利的完成***的要求；
请参阅图2，手机APP终端和小车通信的载体就是蓝牙模块，所以在开发中，蓝牙的连接是至关重要的，为了不出现死机状态，手机APP的设计中不仅有连接模块也有蓝牙断开模块，主要是因为蓝牙因某个原因断开的话，如果不断开蓝牙的话，下次蓝牙模块就连不上。在手机APP软件中使用短信收发器和球形精灵，短信收发就是通过给带有APP软件的手机发送相应的指令，该手机APP终端就会通过蓝牙通信向小车发送指令，球形精灵主要是作为重力感应的传感器，当手机摇动时,它就会碰撞别的按钮，因此就会执行相应的动作。该手机APP终端是利用APP inventor开发，其独特之处就是在没有重力传感器的情况下可以重力控制，在没有GSM的情况下可以利用手机远程控制，并且可以将温湿度反馈到手机APP终端上，该手机APP终端可实现的功能有：小车的基本控制前后左右、各种模式的选择、循迹模式、摄像头的正反转模式及四自由度机械臂的控制、温湿度的采集和显示、重力感应的启动；
请参阅图3，当***上电时，首先开门狗，主时钟，串口，定时器A和B 初始化，之后等待是否通过蓝牙模块接收到APP发来的数据，当接收到单字节1时，小车可以前后左右控制，当接收到单字节2时，小车进行循迹模式，当接收到单字节3时，执行温湿度采集，当接收到单字节4时，执行摄像头云台旋转，当接收到单字节5时，执行障碍物移除模式。当某个功能执行完毕，小车开始等待，直到有下一个数据发送到主控制器上；
请参阅图4，当小车接收到单字节1时，进入到基本控制模式，此时小车重新接受单片机传来的指令，如果接收的数据是6，小车前进，如果为7时，小车后退，当接收的数据到8时，小车后左转，如果为9时，小车右转；
请参阅图5，本发明采用舵机控制小车转向，所以红外传感与舵机的控制应该紧密结合，本***选用5路传感器，并且呈大字型，将传感器采集的信息传回控制器，控制器快速处理，控制直流电机和转向舵机做出快速的响应，进而精确，稳定的寻找轨道。当小车脱离轨道时，通过判断上一状态，如果是左偏则小车此时一直左大偏，直到搜索到轨道，如果是右偏则小车此时一直右大偏，直到搜索到轨道；
请参阅图6，障碍物移除利用的是四自由机械臂，机械臂是由1个360°舵机和3个180°舵机组成，通过定时器A和定时器B产生周期为20ms的占空比可变的PWM，舵机具体控制见下文介绍。通过观察反馈到上位机上的图像信息，使用APP给单片机发控制信号，从而单片机控制机械臂，抓取障碍物，放到指定位置；
请参阅图7，副控制器通过8位数据总线从OV2640获得图像数据，调用 LWIP协议栈接口，通过TCP客户端端的方式连接服务器，并将图像信息上传到服务器，最后使用上位机调用实时显示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：包括小车部分、手机APP终端以及PC上位机终端三个部分组成，其中所述小车部分包括主控制器、副控制器、电平转换模块、循迹模块、机械臂、蓝牙模块、步进电机模块、温度采集模块、电机驱动模块、舵机模块、图像采集模块、WIFI模块、继电器模块以及摄像头闪光灯；
所述循迹模块为黑色胶带所制作的道路，即小车在贴有黑色的胶带上行驶，由于黑色和白色发射回去的强度不同，可根据接收到的光强度来判断轨迹；所述机械臂用于清理小车周边的故障；所述蓝牙模块用于小车与手机APP终端之间的通信，所述主控制器接收并执行由手机APP终端下达的各种控制指令，并将采集到的信息上传至手机APP终端；所述温度采集模块用于采集当前的温度，并上传至所述主控制器中；所述舵机模块通过手机APP终端控制小车的运行，实现小车左、右转向，并驱动所述机械臂移除障碍物；所述步进电机模块用于控制所述图像采集模块中的摄像头的旋转；
所述图像采集模块用于随着小车的运行，实时采集周边的图像；所述WIFI模块用于将所述图像采集模块采集的实时图像上传至PC上位机终端；所述继电器模块用于控制摄像头闪光灯的开合状态；所述摄像头闪光灯用于防止小车周围灯光太暗，避免在PC上位机终端上远程观察不到周围环境的问题；
所述手机APP终端用于将手机与小车上的所述蓝牙模块进行通信，使用谷歌开发平台上设计APP，在APP界面上，有不同的按钮，功能为小车的基本控制(前后左右)、四自由度所述机械臂控制、温度采集、重力感应、摄像头旋转指令按钮，通过给单片机发送不同的指令，小车做执行相应的动作；
所述PC上位机终端通过所述图像采集模块对小车所在位置的当前图像进行采集，通过所述副控制器进行相应的处理，通过所述WIFI模块传到所述PC上位机终端上，进行实时显示，人们通过观察当前图像信息，做出判断来通过所述手机APP终端控制各小车执行相应的模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述主控制器为MSP439F149单片机，内置60KB的FLASH存储器以及2KB的数据存储器，在其活动模式时耗电250μA/MIPS，输入端口的漏电流最大为50nA。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述电机驱动模块采用电压大电流大的L298N双桥驱动芯片，其工作电压46V，输出电流2A。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述循迹模块以TCRT5000传感器作为小车循迹模式的传感器，集成5路循迹传感器，其检测距离为0.5-40mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述图像采集模块采用OV2640摄像头，摄像头输出的最大分辨率为1200*1000，输出的格式是YUV和RGB，JPEG的图像，图像传输速度最高可以达到达到15帧/秒。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述机械臂包括可360°旋转的底座，且底座与步进电机模块上的输出轴连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线视频传输的多功能巡线小车，其特征在于：所述电平转换模块的型号为LM3.3，能够实现5V传感器直接与3.3V主控制器的I/O口连接。
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