基于LabVIEW的智能探測小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、大 連 民 族 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）基于LabVIEW的智能探測小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 院（系）： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 王 帆 學(xué) 號： 2011131317 指 導(dǎo) 教 師： 李 敏 評 閱 教 師： 張維維 完 成 日 期： 2015.06.15 大連民族學(xué)院基于LabVIEW的智能探測小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，智能探測車在探測領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代人工探測，為人們的生活提供了極大的方便。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的比較，在分析了當(dāng)前探測領(lǐng)域的需求后，提出了搭載機(jī)械臂的智能探測車方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW軟件的智能

2、探測小車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。小車部分以STM32單片機(jī)為核心，利用C語言開發(fā)了分類電機(jī)驅(qū)動(dòng)和溫濕度及有害氣體含量采集驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)上位機(jī)以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過調(diào)用WIFI攝像頭接收視頻，調(diào)用串口通信驅(qū)動(dòng)采集溫濕度、有害氣體含量信息，并把采集到的信息在電腦上實(shí)時(shí)顯示出來，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對探測小車的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到車上的STM32主控板，進(jìn)而控制探測車的行駛與機(jī)械臂的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向以及機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、伸展和抓取。經(jīng)測試，系統(tǒng)較好完成所需功能，且具有界面友好、操作方便、可控距離長及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：智能探測車； LabVIEW；STM32單片機(jī)；WIFI攝像

3、頭- I -基于LabVIEW的智能探測小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Abstract With the all-round development of social economy in our country, the intelligent detecting vehicle have gradually replace manual probe in the field of detection, provides great convenience for peoples life. By comparing the current research of domestic and foreign

4、, a proposal of the intelligent detecting vehicle with a robotic arm is put forward after analyzing the current demands in the field of detection and a based LabVIEW wireless video monitoring system for the intelligent detecting vehicle is designed. The vehicle part uses C language to develop the cl

5、assification motor drive, temperature，humidity and the harmful gas content acquisition drive with STM32 MCU as the core. Upper computer system based on LabVIEW software development platform, receiving video by calling the WIFI camera, calling a serial port communication drive to collect information

6、of temperature, humidity and the harmful gas content, display the collected information on the computer in real time. And the real-time monitoring of PC for detecting vehicle is realized. At the same time sending data to STM32 MCU in the vehicle, to control the motion of the rover and the action of

7、mechanical arm, implementing the vehicle forward, backward and steering, and the rotation, stretch and grab of the mechanical arm. Tests show that the system completes the required functions better and has the features of friendly interface, easy to operate, long distance controllable and good real-

8、time performance.Key Words：Intelligent Detecting Vehicle；LabVIEW；STM32 MCU；WIFI Camera- IV -目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 設(shè)計(jì)背景與研究意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 研究內(nèi)容22 系統(tǒng)組成32.1 總體方案32.2 系統(tǒng)框圖32.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)43 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 電源電路設(shè)計(jì)53.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.3 下載電路設(shè)計(jì)73.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)83.5 無線通訊模塊93.5.1 無線路由器與攝像頭93.5.1 無線數(shù)傳模塊94 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)104.1 硬件系統(tǒng)程

9、序設(shè)計(jì)104.1.1 軟件流程圖104.1.2 主函數(shù)初始化114.1.3 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)114.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)124.2.1 串口通訊模塊124.2.2 視頻監(jiān)控模塊134.2.3 系統(tǒng)控制模塊144.2.4 溫濕度及有害氣體含量顯示處理模塊155 系統(tǒng)整體調(diào)試165.1 硬件系統(tǒng)測試165.2 軟件系統(tǒng)測試18結(jié) 論21參 考 文 獻(xiàn)22附錄A 硬件電路圖23致 謝25基于LabVIEW的智能探測小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 緒論1.1 設(shè)計(jì)背景與研究意義隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，智能探測車在探測領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代人工探測，為人們的生活提供了極大的方便。由于對未知空間的探索和偵察會(huì)存在一定的危險(xiǎn)性

10、，如果通過人類親身去探索，可能會(huì)造成不必要的損失，甚至危及到生命的安全，因此可以通過無線探測車的遠(yuǎn)程操作，對路況進(jìn)行實(shí)時(shí)探測和危險(xiǎn)評估，從而把成本和危險(xiǎn)降至最低。另外近年來，我國火災(zāi)、礦難、地震等事故頻繁發(fā)生，給人民生命及財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。事故一旦發(fā)生，事故現(xiàn)場勘察階段是救護(hù)過程中最危險(xiǎn)但也是最為重要的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的救援設(shè)備體積龐大、受自身的限制根本進(jìn)入不了狹窄的地區(qū)，勉強(qiáng)進(jìn)入反而會(huì)適而其反，導(dǎo)致更多人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，所以用現(xiàn)有的救援設(shè)備已不太可能。與其相比，小型的探測車成本更低，運(yùn)動(dòng)更加靈活，并可以在狹小的環(huán)境中工作。目前已有的探測車主要用來完成探測路況、實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)墓δ?。但由于探測

11、的環(huán)境復(fù)雜、突發(fā)狀況頻繁，傳統(tǒng)的探測車在結(jié)構(gòu)上受到一定的限制1-3。根據(jù)對當(dāng)前探測領(lǐng)域的需求分析，在傳統(tǒng)探測車的基礎(chǔ)上，提出了搭載機(jī)械臂的智能探測車方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW軟件的智能探測小車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在目前智能探測方面，技術(shù)最為先進(jìn)的領(lǐng)域應(yīng)該就是深空探測領(lǐng)域，在航天方面，我國所擁有的技術(shù)現(xiàn)已處于世界領(lǐng)先級水平，目前正在進(jìn)行的就是“嫦娥工程”，該工程分階段實(shí)施“三步走”，首先是發(fā)射一顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)繞月飛行；然后發(fā)射一顆衛(wèi)星能在原來的基礎(chǔ)上落在月球表面，實(shí)施一系列探測工作；第三步是在第二步基礎(chǔ)上，能將探測到的數(shù)據(jù)與采集的樣本放回返回器上，返回器能夠攜帶這些樣本返

12、回地球?，F(xiàn)在我國已完成第二步，正在準(zhǔn)備進(jìn)行第三步的探月工程。在這個(gè)過程中，最重要的就是探測工作，月球表明環(huán)境極其復(fù)雜，強(qiáng)輻射、真空、零下180攝氏度到零上150攝氏度的極端環(huán)境下，對探測車的技術(shù)水平要求非常高。為此，我國研制了“玉兔號”探測車，玉兔號是中國首輛月球探測車，和著陸器共同組成嫦娥三號探測器。玉兔號利用太陽能作為能源，具備20度爬坡、20厘米越障能力，另外，玉兔號上搭載了全景相機(jī)、紅外成像光譜儀、測月雷達(dá)、粒子激發(fā)X射線譜儀等科學(xué)探測儀器4。所以玉兔號有很強(qiáng)的智能性，可以自動(dòng)識(shí)別環(huán)境情況而對自身傳感器進(jìn)行調(diào)整，能夠自主識(shí)別路線并完成導(dǎo)航，另外在行進(jìn)過程中，可以將其探測到的圖像數(shù)據(jù)、光

13、譜分析數(shù)據(jù)以及各種環(huán)境信息自動(dòng)傳回地球，幫助人類直接準(zhǔn)確地了解38公里外的月球。在航天深空探索上，美國人有著很好的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。目前最龐大、最復(fù)雜、最昂貴也最先進(jìn)的火星探測器就是美國研制的“好奇號”探測車。2011 年，美國宇航局發(fā)射“好奇”號火星車執(zhí)行火星探索任務(wù)，主要任務(wù)是探尋火星上的生命元素。2012 年8月6日，“好奇號”火星車在火星的蓋爾隕石坑著陸。與“勇氣”號與“機(jī)遇”號不同，總投資達(dá)25億美元的“好奇號”采用的是核動(dòng)力，而且利用钚電池做能源，可以持續(xù)時(shí)間更長。另外，“好奇號”上面搭載了一批先進(jìn)的探測儀器，包括17臺(tái)先進(jìn)照相機(jī)、一個(gè)機(jī)械臂、一個(gè)鉆孔機(jī)、一臺(tái)激光裝置，其內(nèi)部還配備化學(xué)實(shí)

14、驗(yàn)室，用于樣本分析5。至今好奇號仍就一直在火星上探測，已經(jīng)傳回大量探測收獲。隨著這輛探測車在火星上執(zhí)行任務(wù)的深入，新成果還會(huì)不斷出現(xiàn)。1.3 研究內(nèi)容本文所述的智能探測小車，是類似火星車，以履帶式車輪作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠遠(yuǎn)程控制、傳輸圖像、采集環(huán)境信息并處理的多功能智能探測小車。本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合無線數(shù)傳模塊、WIFI無線傳輸模塊、分類電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過上位機(jī)軟件編程結(jié)合硬件小車實(shí)物來完成一款基于LabVIEW的智能探測小車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。該系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要通過一個(gè)上位機(jī)軟件與一臺(tái)搭載多向云臺(tái)機(jī)械手的小車。所以本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)任務(wù)和要求包括以下幾個(gè)方面： (

15、1) 利用STM32單片機(jī)編寫直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并能夠通過控制這幾種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及多向云臺(tái)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)、伸展和抓取等動(dòng)作； (2) 利用STM32單片機(jī)編寫溫度、濕度及有害氣體含量檢測程序，通過溫濕度采集模塊、有害氣體含量檢測模塊采集實(shí)際值； (3) 利用STM32單片機(jī)編寫串口驅(qū)動(dòng)程序，使得單片機(jī)能夠和無線數(shù)傳模塊通訊正常，并將編碼信息發(fā)送到上位機(jī)無線數(shù)傳模塊； (4) 在LabVIEW平臺(tái)上利用oVFE.ocx控件編寫攝像頭驅(qū)動(dòng)，并能實(shí)時(shí)采集攝像頭圖像； (5) 在LabVIEW平臺(tái)上編寫按鍵采集模塊并利用VISA控件編寫串口通訊模塊實(shí)現(xiàn)和

16、下位機(jī)通訊，進(jìn)而控制小車和多向云臺(tái)機(jī)械臂；(6) 設(shè)計(jì)一個(gè)上位機(jī)軟件界面，在界面上可以顯示下位機(jī)發(fā)送來的溫濕度及有害氣體含量信息、實(shí)時(shí)的視頻圖像信息、通訊信息和一個(gè)控制臺(tái)界面，控制臺(tái)界面上的按鍵可以用來無線控制智能探測小車的動(dòng)作。2 系統(tǒng)組成2.1 總體方案該系統(tǒng)利用SOLID-WORKS軟件對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)并搭載一個(gè)多向云臺(tái)機(jī)械手，采用3DR Radio telemetry 433MHZ無線數(shù)傳模塊作為探測車的遠(yuǎn)程控制指令傳輸器件，采用Robot-Link V4.0 AR WIFI模塊作為探測車AV視頻無線傳輸?shù)钠骷?，進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻的無線傳輸。運(yùn)用DHT11模塊進(jìn)行溫濕度

17、數(shù)據(jù)采集，YL-15模塊進(jìn)行有害氣體含量檢測。采用LabVIEW上位機(jī)軟件調(diào)用WIFI攝像頭接收視頻，調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)采集溫濕度、有害氣體含量信息，實(shí)現(xiàn)把采集到的信息在電腦上實(shí)時(shí)顯示出來，同時(shí)將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到車上的STM32主控板，進(jìn)而控制探測車的行駛與機(jī)械臂的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向以及機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)、伸展和抓取。2.2 系統(tǒng)框圖經(jīng)過對所查找資料的分析和對方案的論證，確定了系統(tǒng)的整體構(gòu)成。分為硬件和軟件兩個(gè)部分，系統(tǒng)以USB攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、USB串口驅(qū)動(dòng)模塊、溫濕度及有害氣體含量顯示處理模塊、系統(tǒng)控制模塊四部分構(gòu)成軟件部分；硬件部分包含無線路由與攝像頭、電源電路、無線數(shù)傳模塊、溫濕度采集模

18、塊、有害氣體采集模塊和分類電機(jī)驅(qū)動(dòng)六個(gè)部分。本系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)組成框圖2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)探測小車的車身整體結(jié)構(gòu)采用角鋁作為框架，角鋁強(qiáng)度很強(qiáng)，重量輕，有良好的機(jī)械性能，采用這種材料可以大大提高車身的穩(wěn)定性和耐壓性。外殼采用堅(jiān)硬的不銹鋼材料，對內(nèi)部電路起到了極強(qiáng)的防護(hù)能力，車體采用船型機(jī)構(gòu)，同時(shí)底盤設(shè)計(jì)為履帶式結(jié)構(gòu)，并采用了直徑125mm的復(fù)合鋼制輪子，使得探測小車可以適應(yīng)各種復(fù)雜的道路環(huán)境。機(jī)械臂是支撐機(jī)械手的平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，這個(gè)機(jī)械臂采用三個(gè)大功率步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，為了防止機(jī)械臂在直線運(yùn)動(dòng)中

19、，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)過程中加入了導(dǎo)向裝置，并在程序設(shè)計(jì)中加入了一定的緩沖措施。機(jī)械手部分采用舵機(jī)進(jìn)行控制，舵機(jī)是一種角度伺服的驅(qū)動(dòng)器，其可以根據(jù)系統(tǒng)的要求改變并保持相應(yīng)的傳動(dòng)角度6。根據(jù)舵機(jī)具有隨需要角度不斷變化的特性，選擇它作為控制機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)器。由于機(jī)械手的前端抓取部分采用的是固定式結(jié)構(gòu)，為此我們設(shè)計(jì)了舵機(jī)保護(hù)電路，使得機(jī)械手在抓取過程中可以對系統(tǒng)進(jìn)行反饋，反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得多向云臺(tái)機(jī)械臂有了更好的實(shí)用性。探測小車和機(jī)械臂的各部分結(jié)構(gòu)圖利用SOLID-WORKS軟件繪制，繪制好后將結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入雕刻機(jī)，利用雕刻機(jī)將各部分平面結(jié)構(gòu)雕刻出，之后拼裝修改，組成整體結(jié)構(gòu)。探測車內(nèi)部主要是一

20、些對電路固定和保護(hù)的結(jié)構(gòu)，為了減輕車身整體重量，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均采用硬塑材料，配合絕緣海綿對車內(nèi)電路系統(tǒng)起到了很好的保護(hù)。繪制好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖利用3D打印機(jī)7直接打出，之后將電路固定后安裝到小車內(nèi)部，最終完成探測小車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。探測小車實(shí)物如圖2.2所示。圖2.2 探測車實(shí)物圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以分為五個(gè)部分：電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、下載電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、無線通訊模塊。電源電路分別提供12V電源用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、5V電源為系統(tǒng)各類模塊供電、3.3V電源為系統(tǒng)MCU供電。電源的供電情況會(huì)通過一個(gè)綠色指示燈顯示，當(dāng)電源接通后，綠色指示燈就會(huì)被點(diǎn)亮。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中

21、最為重要的部分，它是系統(tǒng)運(yùn)行的核心，采用STM32C8T6單片機(jī)搭載一些外圍電路構(gòu)成最小系統(tǒng)電路。無線數(shù)傳模塊通過兩根串口線與單片機(jī)串口輸出端相連，另有黃色和紅色兩個(gè)指示燈分別指示模塊的工作方式，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖3.1 電源電路設(shè)計(jì)電源電路是整個(gè)硬件系統(tǒng)的能源系統(tǒng)，本系統(tǒng)的電源電路可輸出5V和3.3V兩種電壓。電源電路設(shè)計(jì)采用的是AMS公司生產(chǎn)的AMSU17,這是一款通用線性穩(wěn)壓器，低漏失電壓調(diào)整器。5V電壓的獲取采用AMS1117V5芯片提供，用來給電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無線路由器供電。STM32單片機(jī)和無線數(shù)傳供電需要的是3.3V電壓，從穩(wěn)壓電源引出的5V

22、電壓經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓器之后，電壓從5V降為3.3V，另外在電壓輸出端加入一個(gè)LED作為電源指示燈。為了防止電流的倒流，在電路中加入了二極管，并且加入了能夠?yàn)V除低頻干擾的電容設(shè)計(jì)。電源電路設(shè)計(jì)如圖3.2所示。圖3.2 電源電路3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)運(yùn)行起來的最簡單的電路，STM32單片機(jī)內(nèi)部沒有復(fù)位電路，自帶振蕩器。但為了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)加入外部振蕩器電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：STM32單片機(jī)、外部振蕩器電路、復(fù)位電路、模式控制接口以及去耦電容等8-9。本設(shè)計(jì)主要采用STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32F103C8T6采用高性能的A

23、RM Cortex M3內(nèi)核，數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，程序存儲(chǔ)器采用Flash類型，大小為64 KB。數(shù)據(jù)RAM大小為20 KB，包含一個(gè)CAN、兩個(gè)I2C、兩個(gè)SPI,、三個(gè)USART、一個(gè) USB等豐富的接口類型，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，48個(gè)增強(qiáng)I/O端口，3個(gè)通用16位定時(shí)器以及2個(gè)12位ADC。其工作電源電壓在2 V 到3.6 V之間。具有其它單片機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢10。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3.3所示。圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.3 下載電路設(shè)計(jì)JTAG模式是比較穩(wěn)定并且比較常用的調(diào)試下載模式，所以我們采用JTAG模式對硬件下載程序，在JTAG模式下，JLINK的第1引

24、腳接VCC、TRST接PB4、TDI接PA15、TDOSWO接PB3、RESET接STM32的NRST、其余引腳任一接GND，下載電路如圖3.4所示。圖3.4 下載電路3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路由智能功率芯片BTS7960組成，該芯片是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流半橋高集成芯片，工作電壓5.5v-27.5v，最大驅(qū)動(dòng)電流43A，工作頻率25Khz，在本電路設(shè)計(jì)中，直流電機(jī)工作電壓12V，電流2A，工作頻率25Khz，2塊BTS7969芯片組成一個(gè)全橋電路，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)11。驅(qū)動(dòng)電路如圖3.5所示。圖3.5 驅(qū)動(dòng)電路該系統(tǒng)的電機(jī)是在負(fù)載和轉(zhuǎn)速非周期性變化工作中運(yùn)行，探測小車設(shè)計(jì)負(fù)載為5kg，最

25、大行進(jìn)速度1m/s，工作環(huán)境常溫常壓。選用ASLONG JGB37-550直流有刷電機(jī)，該電機(jī)額定電壓為12V，轉(zhuǎn)矩為12Kgcm，電流2A。小車輪子直徑=125mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速=250rpm/min，電機(jī)的減速比=1:56。通過公式3.1計(jì)算，小車的最大行進(jìn)速度，符合理論計(jì)算值大于工程閥值20%的設(shè)計(jì)要求。 (3.1) 3.5 無線通訊模塊3.5.1 無線路由器與攝像頭系統(tǒng)的視頻信息傳輸平臺(tái)是基于WiFi的無線傳輸，對于無線路由器的選擇十分必要。運(yùn)行于控制終端的網(wǎng)絡(luò)程序通過局域網(wǎng)與探測小車建立UDP連接，用戶可以在上位機(jī)獲取攝像頭視頻信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用Robot-Link V4.0 AR WI

26、FI模塊，具有4M的Flash，32M內(nèi)存DDR，采用3Dbi高增益天線，穩(wěn)定傳輸距離可達(dá)100米12。 3.5.1 無線數(shù)傳模塊無線數(shù)傳模塊的通信方式主要是串行通信，串行通信是一種簡單可靠的通信方式。使用極少的信道資源進(jìn)行通信是串行通信的最大特點(diǎn)，使串行通信在遠(yuǎn)距離通信得到廣泛的應(yīng)用的主要原因。近幾年來，隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，串行通信的速度得到了有效的提高，加之串行通信不需要地址譯碼，使其在近距離通信上也得到了越來越多的應(yīng)用，現(xiàn)在大部分模塊都采用了串行通信作為數(shù)據(jù)傳輸方式。通用同步異步收發(fā)器（USART）提供了一種靈活的方法來與使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NR 異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備之間進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換

27、。全雙工通信要求數(shù)據(jù)的收、發(fā)能同時(shí)進(jìn)行。由于串口的收發(fā)采用同一個(gè)中斷源，所以，如果數(shù)據(jù)傳送采用中斷方式，則必須判斷中斷的狀態(tài)編寫中斷處理程序來確定接下來進(jìn)行發(fā)送操作還是接受操作。USART利用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇。它支持多處理器通信，用于多緩沖器配置的DMA方式，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信13-14。系統(tǒng)以3DRobotics的3DR電臺(tái)做為控制信息傳輸途徑，該電臺(tái)是設(shè)置上位機(jī)和下位機(jī)之間遙測連接的一個(gè)理想的方式，可作為一條虛擬的串口線與單片機(jī)直接連接使用。系統(tǒng)采用該公司的3DR Radio telemetry 433MHZ無線數(shù)傳模塊，該模塊體積小，重量輕(不含天線僅4克)，基于

28、HM-TRP無線模塊，并帶有Si1000 8051微控制器和Si4432無線模塊，價(jià)格低，范圍大，使得系統(tǒng)的最遠(yuǎn)控制距離可達(dá)800米。無線數(shù)傳模塊與MCU連接電路如圖3.6所示。圖3.6 無線數(shù)傳模塊連接電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 硬件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)編寫STM32程序主要考慮幾個(gè)部分：USART發(fā)送接收、AD采集、多通道PWM產(chǎn)生、時(shí)序的編寫、數(shù)據(jù)的處理等，進(jìn)而對直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)正?？刂疲⑼瓿蓽貪穸?、有害氣體含量數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)整理并發(fā)送，在這個(gè)過程中，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，包括設(shè)置單片機(jī)各個(gè)端口方向，各個(gè)變量的初始化，單片機(jī)振蕩頻率的設(shè)置，串口初始化的設(shè)置，定時(shí)器和中斷的設(shè)置以及A

29、D采集函數(shù)的初始化設(shè)置。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4.1所示。4.1.1 軟件流程圖圖4.1 軟件流程圖4.1.2 主函數(shù)初始化int main(void) #ifdef DEBUG debug(); #endif RCC_Configuration(); SysTick_Init(72); GPIO_Configuration(); NVIC_Configuration(); USART1_InitConfig(115200); Timer2_Configuration();4.1.3 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)編程部分工作在keil4開發(fā)環(huán)境下完成15，對應(yīng)于不同的功能編寫不同的功能函數(shù)，最后在主

30、函數(shù)中直接調(diào)用各部分功能函數(shù)。程序在初始化結(jié)束后會(huì)進(jìn)入while循環(huán)，通過GetKey()函數(shù)得到上位機(jī)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)ReceiveData，利用一個(gè)switch函數(shù)對命令數(shù)據(jù)做出判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的命令程序。探測小車除了前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能，還有加速、減速的功能，所以在主程序中加入一個(gè)全局變量pwm，pwm值的大小決定了小車速度的大小，從以下接收程序中可以看出，pwm的可調(diào)范圍在40到90之間。while(1) ReceiveData = GetKey (); switch(ReceiveData) case 0 xd1: pwm+;if(pwm=90)pwm=90;forward()

31、;break;/forward+case 0 xd2: pwm-;if(pwm=90)pwm=90;back();break;/back+ case 0 xd4: pwm-;if(pwm=90)pwm=90;zuoqian();break;/zuoqian+case 0 xd6: pwm-;if(pwm=90)pwm=90;youqian();break;/youqian+case 0 xd8: pwm-;if(pwm=90)pwm=90;zuohou();break;/zuohou+case 0 xda: pwm-;if(pwm=90)pwm=90;youhou();break;/youho

32、u+case 0 xdc: pwm-;if(pwm=40)pwm=40;youhou();break;/youhou- case 0 xfd: stop();break; case 0 xf1: forward();break; case 0 xf2: back();break;case 0 xf3: left();break;case 0 xf4: right();break;case 0 xf5: zuoqian();break; case 0 xf6: youqian();break; case 0 xf7: zuohou();break; case 0 xf8: youhou();br

33、eak; 4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)上位機(jī)以LabVIEW為軟件開發(fā)工具，前面板布局設(shè)計(jì)如圖4.2所示。視頻監(jiān)控模塊采集并顯示無線視頻信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；系統(tǒng)控制模塊將按鍵信息編碼，形成數(shù)據(jù)包放到發(fā)送區(qū)；串口通訊模塊接收溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)并將發(fā)送區(qū)的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)小車；溫濕度及有害氣體含量顯示處理模塊以表盤的形式顯示接收區(qū)的數(shù)據(jù)，同時(shí)以波形圖形式顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。圖4.2 前面板布局設(shè)計(jì)框圖4.2.1 串口通訊模塊探測小車和上位機(jī)的通訊通過串口實(shí)現(xiàn)，以LabVIEW的VISA控件實(shí)現(xiàn)串口功能。VISA控件通過配置串口、讀取串口、寫入串口及關(guān)閉串口功能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)小車的通

34、訊16。串口通訊模塊程序框圖如圖4.3所示。圖4.3 串口通訊模塊LabVIEW程序框圖4.2.2 視頻監(jiān)控模塊通過LabVIEW Vision模塊實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能，其程序框圖如圖4.4所示。首先使用IMAQ USB Enumerrate Cameras VI選擇視頻設(shè)備，其次使用IMAQ Create為該設(shè)備分配內(nèi)存空間，最后在while循環(huán)里將IMAQ Grab Acquire抓取的圖像傳送到Image Display控件顯示17。圖4.4 視頻監(jiān)控模塊LabVIEW程序框圖4.2.3 系統(tǒng)控制模塊上位機(jī)對下位機(jī)探測小車的遠(yuǎn)程控制是通過鍵盤實(shí)現(xiàn)的，因此，需要把鍵盤的按鍵信息讀取到上位機(jī)的L

35、abVIEW軟件中。圖4.5是鍵盤數(shù)據(jù)采集的LabVIEW程序框圖，在該圖中，從左至右有四個(gè)與鍵盤數(shù)據(jù)采集相關(guān)的VI。最左邊的“Query Input Devices”VI產(chǎn)生“按鍵信息”的簇，并顯示在前面板上；接著是“Intialize Input Data”VI，此VI可以生成同時(shí)被按下按鍵組成的字符串?dāng)?shù)組；然后是“索引數(shù)組”VI，把數(shù)組中的各元素提取出來；最后是“Close Input Devices”VI，當(dāng)程序執(zhí)行完，則關(guān)閉輸入設(shè)備資源。由于“索引數(shù)組”VI輸出的是個(gè)下拉列表的數(shù)組，而本系統(tǒng)在遙控小車時(shí)，在同一時(shí)刻只按下一個(gè)按鍵，所以只需要提取出按鍵字符串?dāng)?shù)組的第0個(gè)元素，通過第0個(gè)

36、元素的字符串信息讓系統(tǒng)識(shí)別此時(shí)按下的按鍵，然后根據(jù)這個(gè)按鍵的字符串，LabVIEW程序決定發(fā)送什么數(shù)據(jù)到下位機(jī)，從而控制探測車做出相應(yīng)的動(dòng)作。上位機(jī)按鍵控制部分利用條件結(jié)構(gòu)在按下每一個(gè)按鍵時(shí)將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)。圖4.5 鍵盤數(shù)據(jù)采集LabVIEW程序框圖4.2.4 溫濕度及有害氣體含量顯示處理模塊串口接收到下位機(jī)小車發(fā)送的溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)，經(jīng)過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，通過LabVIEW儀表顯示，并利用波形圖進(jìn)行各時(shí)段穩(wěn)定性分析。溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)持續(xù)從下位機(jī)小車向上位機(jī)發(fā)送，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后保存為一個(gè)完整的字符串。因此，需要對接收到的溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，然后識(shí)

37、別標(biāo)志位，進(jìn)而分別提取出溫濕度數(shù)值及有害氣體含量數(shù)值。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)移位寄存器，完成不間斷地將截取的起點(diǎn)定為接到的數(shù)據(jù)包起點(diǎn)，以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息的要求18。溫濕度及有害氣體含量顯示處理LabVIEW程序框圖如圖4.6所示。圖4.6 溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)顯示處理LabVIEW程序框圖5 系統(tǒng)整體調(diào)試在系統(tǒng)基本模塊設(shè)計(jì)完成和軟件設(shè)計(jì)調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，將二者進(jìn)行結(jié)合需要對系統(tǒng)的整體功能性進(jìn)行測試。通過測試可以找出設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題以及最終系統(tǒng)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)方案的要求，找出測試出現(xiàn)問題的原因或與目標(biāo)不符的部分，從而達(dá)到最終實(shí)現(xiàn)目的,完善各種功能。在軟硬件總體方案確定好之后，需要對軟硬件的各個(gè)

38、模塊進(jìn)行單獨(dú)測試，確保每個(gè)模塊都能正常工作。在每個(gè)模塊都測試成功之后，逐步把各個(gè)分模塊整合到一起，進(jìn)行整機(jī)測試，逐步實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能以及功能。5.1 硬件系統(tǒng)測試首先是要對硬件部分測試，硬件部分的測試包括檢查整個(gè)系統(tǒng)的電路是否完好，連線是否正確，在此前提下進(jìn)行硬件測試的第一部分測試電機(jī)驅(qū)動(dòng)測試，通過串口調(diào)試助手進(jìn)行測試，將設(shè)置好電機(jī)轉(zhuǎn)速的程序下載到主控制器芯片中，觀察電機(jī)的是否能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。然后進(jìn)一步的修改程序觀察小車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退、以及變速等各種狀態(tài)是否能正常運(yùn)行。之后進(jìn)行第二部分測試，第二部分測試是對攝像頭正常工作的測試。無線路由器模塊經(jīng)過系統(tǒng)改造后登陸路由器的WEB界面加載

39、攝像頭驅(qū)動(dòng)。對攝像頭是否能夠正常顯示視頻信息測試是安裝MJPEG作為一個(gè)小型的視頻服務(wù)器軟件,打開瀏覽器,輸入固定端口地址,就能看到攝像頭的動(dòng)態(tài)視頻。最后測試下位機(jī)發(fā)來的溫濕度、有害氣體含量數(shù)據(jù)是否正確。此部分測試將串口調(diào)試助手波特率設(shè)置為115200，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位，利用無線數(shù)傳模塊接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示出來，對比實(shí)際情況進(jìn)行測試，經(jīng)測試溫濕度、有害氣體含量均符合實(shí)際檢測值，如圖5.1、圖5.2所示：圖5.1 溫濕度、有害氣體含量實(shí)際檢測值圖5.2 溫濕度、有害氣體含量測試值5.2 軟件系統(tǒng)測試系統(tǒng)的軟件測試主要是對視頻采集模塊、串口通訊模塊和按鍵采集模塊進(jìn)行測試，文件處理模塊和微信上

40、傳模塊在系統(tǒng)各部分測試結(jié)束后，搭建好整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。首先是視頻采集模塊測試，開啟攝像頭驅(qū)動(dòng)后要有2s的初始化，然后觀察IMAQ AVI Close.vi是否有錯(cuò)誤輸出，若error顯示為0時(shí)說明沒有錯(cuò)誤，打開軟件前面板觀察是否有視頻顯示，測試過程中視頻顯示正常，且清晰度良好。測試視頻采集模塊無錯(cuò)誤輸出，結(jié)果如圖5.3所示。圖5.3 視頻傳輸測試效果接下來是串口通訊模塊測試，主要測試遙控器與應(yīng)用程序是否能實(shí)現(xiàn)信號的傳送。當(dāng)按下“打開串口”按鈕后,觀察“VISA配置串口（儀器）”的VI是否有錯(cuò)誤輸出，若沒有錯(cuò)誤則說明上位機(jī)能夠調(diào)用VISA串口控件，打開下位機(jī)并按下下位機(jī)上面按鍵，觀察串口通訊模塊

41、的數(shù)據(jù)接收部分是否有數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明數(shù)據(jù)正常，下位機(jī)可以和軟件正常建立連接。測試串口通訊模塊無錯(cuò)誤輸出，結(jié)果如圖5.4所示。圖5.4 串口通訊測試效果最后測試軟件部分按下按鈕是否能夠執(zhí)行相應(yīng)操作，按下一個(gè)控制按鍵，先觀察按鍵數(shù)據(jù)是否是正確的編碼數(shù)據(jù)，之后打開軟件前面板觀察軟件是否執(zhí)行相應(yīng)操作。經(jīng)測試，軟件上的按鈕都能正常工作。測試按鍵采集模塊無錯(cuò)誤輸出，結(jié)果如圖5.5所示。圖5.5 按鍵測試效果系統(tǒng)各部分測試正常后，進(jìn)行系統(tǒng)的整體測試。打開上位機(jī)，完成攝像頭選取和串口設(shè)置。點(diǎn)擊運(yùn)行，各上位機(jī)模塊工作正常，溫濕度有害氣體含量顯示正常，通過波形圖標(biāo)分析數(shù)據(jù)穩(wěn)定，小車能夠按照控制鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作，

42、機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了抓取功能，系統(tǒng)測試前面板如圖5.6所示。圖5.6 系統(tǒng)測試前面板結(jié) 論智能探測小車的發(fā)展折射出我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展，但是與世界發(fā)達(dá)國家相比，還有一定的差距，所以我國仍將大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。智能探測小車作為一種智能機(jī)器人，其能替代人工在坑道探測、救援、搜捕、排雷、輻射等有害和危險(xiǎn)場合工作，具有廣大的引用前景。為此，本文以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)、以單片機(jī)為驅(qū)動(dòng)核心處理器、以無線WiFi為主要通訊手段，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有搭載機(jī)械臂的智能探測小車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對探測小車行進(jìn)和抓取的實(shí)時(shí)控制，并能實(shí)時(shí)地將攝像頭拍攝到的圖像和環(huán)境溫濕度及有害氣體含量數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)存儲(chǔ)和

43、顯示。測試結(jié)果顯示，利用圖形化編程語言LabVIEW可以方便的實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與無線攝像頭的視頻傳輸、與單片機(jī)的串口通信，并結(jié)合單片機(jī)外圍電路對直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行控制。雖然系統(tǒng)在整體功能上已經(jīng)完成，但是在結(jié)構(gòu)上仍有不足，比如機(jī)械手部分由于采用了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所以機(jī)械手的負(fù)重能力不是很強(qiáng)，下一步將對機(jī)械手的控制部分進(jìn)行改進(jìn)，采用氣動(dòng)或者液壓控制。另外，小車在傳感器控制、無線通信、乃至整個(gè)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分仍有很大的提升空間。參 考 文 獻(xiàn)1 Zhu Zhou.Intelligent vehicle study based on STM32.Chengdu:Southwest Jiaotong

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48、 of an Intelligent Detecting Vehicle Based on LabVIEW.Scientific Journal of Information Engineering,2015,5(4):132-138.附錄A 硬件電路圖電路原理圖PCB圖致 謝在此論文完成之際，謹(jǐn)向信通學(xué)院每一位曾經(jīng)教導(dǎo)過我的老師表示衷心的感謝并致以崇高的敬意，他們在我大學(xué)期間，不僅傳授我扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，而且在為人處事方面也給與我很多指導(dǎo)。感謝我的畢設(shè)指導(dǎo)老師李敏，在畢設(shè)過程中，無論是設(shè)計(jì)還是各項(xiàng)資料以及論文的最后纂寫，均得到了李老師的耐心指導(dǎo)。李老師深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使我在大學(xué)最后的生活中受益匪淺，也正是李老師的嚴(yán)格要求和悉心教導(dǎo)，才有了本文的順利完成。在此，謹(jǐn)向李老師表示衷心的感謝，感謝她對我的教導(dǎo)和付出！在四年學(xué)習(xí)期間，有幸得到信息與通信工程學(xué)院得各位老師們的悉心指導(dǎo)，在此，再次向我的老師們表示最誠摯的謝意和最衷心的祝福！26