基于LabVIEW的智能偵察車設(shè)計

鄧 濤，李軍營

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

基于LabVIEW的智能偵察車設(shè)計

鄧 濤，李軍營

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片為核心，進(jìn)行智能偵察車硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、電路設(shè)計、上位機(jī)設(shè)計以及實車制作。硬件設(shè)計包括IP攝像頭、直流電機(jī)、步進(jìn)機(jī)、無線視頻采集卡、無線模塊、舵機(jī)、超聲波模塊、探照燈、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器等；軟件設(shè)計包括總體控制程序和編譯程序；電路設(shè)計包括Freescale K60芯片電路設(shè)計、ASM1117穩(wěn)壓電路設(shè)計、直流電機(jī)BTS7960驅(qū)動電路設(shè)計、超聲波的發(fā)射/接收電路設(shè)計、整體電路板設(shè)計；上位機(jī)程序設(shè)計采用虛擬儀器，用LabVIEW進(jìn)行編程，開發(fā)了智能偵察車控制及信息顯示面板、超聲波測距和可燃?xì)怏w檢測面板程序。

車輛工程；LabVIEW；Freescale K60；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；電路設(shè)計

偵察車不僅可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在民用搶險救災(zāi)等領(lǐng)域也可發(fā)揮巨大的作用，減少財產(chǎn)損失和人員傷亡。而隨著智能化偵察車的需求不斷擴(kuò)大，使得集成通信、控制、信息、電子等設(shè)備于一體化的綜合性智能偵察車的研發(fā)越來越緊迫。目前對偵察車的研究主要是集中在軍事、警用領(lǐng)域，針對偵察系統(tǒng)、圖像處理、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械部件以及優(yōu)化路線等方面[1-6]。筆者立足于民用化智能偵察車研究，研制基于LabVIEW的智能偵察車系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、電路設(shè)計、上位機(jī)設(shè)計以及實車制作等。

1 智能偵察車的總體設(shè)計

總體設(shè)計如圖1，包括車體、車體控制模塊、路況場景偵查、污染度檢測、上位機(jī)、顯示界面等。本偵察車能夠通過電腦鍵盤控制車體的運(yùn)行，智能體現(xiàn)于能夠遠(yuǎn)程實時傳輸作業(yè)場景圖像，根據(jù)遠(yuǎn)程指令自動調(diào)整車體，旋轉(zhuǎn)攝像頭，開關(guān)夜視燈，能自動檢測作業(yè)環(huán)境的可燃?xì)怏w濃度并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送于電腦上位機(jī)的監(jiān)控端，還能夠根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境更換磁性輪胎，用于管道可燃?xì)獾臋z測。表1為基于LabVIEW開發(fā)的偵察車監(jiān)控控制系統(tǒng)的鍵盤操作，能夠?qū)崿F(xiàn)偵察車的遠(yuǎn)程遙控的信號生成。

圖1 智能偵察車的總體設(shè)計Fig.1 Overall design of intelligent reconnaissance vehicle

按鍵名按鍵對應(yīng)的功用W偵查車前進(jìn)S偵查車后退A偵察車左轉(zhuǎn)向D偵察車右轉(zhuǎn)向K偵察車整車姿勢糾正J偵察車急停C超聲波測距,用于整車位置的控制和偵查物體的大致位置L遠(yuǎn)程探照燈運(yùn)行與關(guān)閉KIP攝像頭的旋轉(zhuǎn)

2 智能偵察車的硬件系統(tǒng)設(shè)計

本偵察車由IP攝像頭、直流電機(jī)、步進(jìn)機(jī)、無線視頻采集卡、無線模塊、舵機(jī)、超聲波模塊、探照燈、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器等組成，如圖2。

圖2 智能偵察車整體設(shè)計Fig.2 Overall design sketch for intelligent reconnaissance vehicle

2.1 Freescale K60芯片

基于ARM Cortex M4架構(gòu)的Kinetis微控制器。Kinetis系列微控制器，融合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號處理能力，寬廣的互連性、人機(jī)接口和安全外設(shè)。系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲和硬件篡改檢測，提供用于電壓、頻率、溫度和外部傳感(用于物理攻擊檢測)的傳感器[7]。

2.2 無線IP攝像頭

IP攝像頭可以360°旋轉(zhuǎn)，需要上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件是基于LabVIEW軟件編制的。IP攝像機(jī)一般指的就是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，它包括一個普通攝像機(jī)、視頻服務(wù)器、網(wǎng)卡、應(yīng)用軟件等，有的還包括云臺和變倍鏡頭。IP攝像頭與傳統(tǒng)的攝像頭的不同在于將傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)攝像頭進(jìn)行無線改造的關(guān)鍵就是將經(jīng)數(shù)字處理芯片的數(shù)字信號通過無線發(fā)送裝置將信號送出，再經(jīng)無線接收裝置將數(shù)字信號上傳給Internet或者PC實現(xiàn)視頻信號無線傳輸。

2.3 MQ-2可燃?xì)怏w傳感器

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)[8-9]。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。氣敏傳感器MQ-2采集到的模擬信號以電壓的形式表現(xiàn)出來，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化后才能輸入單片機(jī)處理。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸氣的檢測也很理想。

2.4 超聲波部分

為方便精確控制偵察車安裝有超聲波模塊。HC-S04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸測距功能?；驹恚翰捎脝纹瑱C(jī)IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號。模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波。并自動檢測是否有信號返回。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比[10]：

3 電路設(shè)計

3.1 ASM1117穩(wěn)壓電路設(shè)計

基于ASM117的穩(wěn)壓設(shè)計電路為單片機(jī)提供必要供電電源，由說明書知穩(wěn)壓公式：

VOUT=VREF(1+R2)+IADJR2

(1)

確定必要的電阻、電容參數(shù)如圖3。

圖3 穩(wěn)壓電路Fig.3 Regulating circuit

3.2 Freescale K60芯片電路設(shè)計

K60芯片是整車數(shù)據(jù)的處理中心，確保車體的行駛，數(shù)據(jù)的采集與分析，車體與PC機(jī)的交互式通信等必要的條件，如圖4，K60為最小系統(tǒng)。

圖4 K60芯片原理Fig.4 K60 chip principle map

3.3 直流電機(jī)BTS7960驅(qū)動電路設(shè)計

偵察車動力來源于直流電機(jī)，且需要前后行駛，故采用全橋驅(qū)動控制直流電動機(jī)[11]。BTS7960的芯片內(nèi)部為一個半橋，則兩片BTS7960構(gòu)成全橋驅(qū)動。INH引腳為高電平，則使能BTS7960，如圖5。

圖5 直流電機(jī)驅(qū)動電路Fig.5 DC motor driving circuit

3.4 超聲波的發(fā)射/接收電路設(shè)計

TL074是常用且價廉的運(yùn)放。一個芯片內(nèi)集成了相同的四路運(yùn)放電路，因為是JFET輸入，即結(jié)型場效應(yīng)管作為輸入，也就是能輸入阻抗很大的信號源，所以有關(guān)噪聲的指標(biāo)比使用雙極性晶體管輸入的常用運(yùn)放電路要低。實驗證明MAX232的驅(qū)動能達(dá)到9 V，比一般的反相放大器，如圖6。

圖6 超聲波模塊設(shè)計電路Fig.6 Ultrasonic transmitting/receiving circuit

3.5 整體電路板設(shè)計

基于Altium Designer進(jìn)行電路的設(shè)計并繪制PCB板，如圖7。

圖7 驅(qū)動板部分3D圖Fig.7 3D map of driving plate

4 智能偵察車的軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體控制程序

首先初始化程序，檢測LabVIEW上位機(jī)控制系統(tǒng)是否發(fā)送運(yùn)行指令，控制器分析采集的運(yùn)行指令代碼。然后控制相應(yīng)的模塊運(yùn)行如可燃?xì)怏w檢測、超聲波測距、IP攝像頭旋轉(zhuǎn)等等。所有的指令由偵察員通過電腦鍵盤輸入，上位機(jī)讀取指令轉(zhuǎn)換并發(fā)送。下位機(jī)采集的視頻、數(shù)據(jù)等也通過上位機(jī)接收與呈現(xiàn)，如圖8。

圖8 總體程序Fig.8 Whole program map

4.2 IAR Embedded Workbench編譯程序

IAR Embedded Workbench支持C/C++進(jìn)行編程，能夠自動地檢查代碼中的明顯錯誤，它通過一個集成的調(diào)試器和編輯器來掃描你的代碼，以找到并減少明顯的錯誤，然后編譯并鏈接程序以便計算機(jī)能夠理解并執(zhí)行你的程序，并且能實時仿真為調(diào)試硬件提供了很大的方便，如圖9。

圖9 IAR Embedded Workbench編譯程序界面Fig.9 IAR Embedded Workbench compiler program interface

5 上位機(jī)程序設(shè)計

本控制器采用虛擬儀器作為采集信息軟件，是用LabVIEW作為編程語言。選用無線模塊作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，沒有用數(shù)據(jù)采集卡使其能被大多數(shù)用戶所接受[12]，如圖10。

圖10 控制及信息顯示上位機(jī)前面板Fig.10 Control and information display panel on host computer

在LabVIEW和NI-IMAQ Vision軟件平臺下，利用視頻采集卡接收IP攝像頭信號，如圖11。偵察車的控制方式是讀取PC鍵盤指令，進(jìn)行實車遠(yuǎn)程控制，讀取指令的上位機(jī)程序，如圖12。

圖11 視頻采集后面板程序Fig.11 Back panel procedure sketch of video acquisition

圖12 鍵盤遠(yuǎn)程控制后面板程序Fig.12 Back panel procedure sketch of keyboard remote control

下位機(jī)檢測的作業(yè)環(huán)境的情況數(shù)據(jù)需要上位機(jī)來接收并呈現(xiàn)，圖13為接收距離和可燃性氣體濃度情況的LabVIEW程序框圖。

圖13 超聲波測距和可燃?xì)怏w檢測后面板程序Fig.13 Back panel procedure of ultrasonic ranging and combustible gas detection

6 智能偵察車模型

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片為核心的偵察車模型整體布局，車體前方為超聲波傳感器，中部為K60核心板，安裝有IP攝像、頭探照燈等。后方是MQ-2傳感器、直流電機(jī)和繼電器等，并且安裝的輪子可更換且周圍安裝有較強(qiáng)的磁性的薄磁鐵的輪子，能夠吸在粗大的可燃?xì)怏w管道上自由行使，來檢查煤氣管道是否漏氣等,如圖14。

圖14 偵察車模型整體安裝Fig.14 The whole installment sketch of reconnaissance vehicle model

7 結(jié) 論

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片為核心，完成智能偵察車的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、電路設(shè)計、上位機(jī)設(shè)計以及實車制作，完成測試取得以下的成果。

1)進(jìn)行了包括基于LabVIEW上位機(jī)軟件的無線IP攝像頭、MQ-2可燃?xì)怏w傳感器、以及HC-S04超聲波測距模塊等硬件設(shè)計，增加偵察環(huán)境的透明度，提高對液化氣、丙烷和氫氣等可燃?xì)怏w濃度檢測靈敏度，并有效確定作業(yè)環(huán)境物體方位。

2)進(jìn)行了總體控制程序與IAR Embedded Workbench編譯程序等軟件設(shè)計，為在線實時仿真階段調(diào)試硬件提供便利。

3)進(jìn)行了Freescale K60芯片電路、ASM1117穩(wěn)壓電路、直流電機(jī)驅(qū)動電路、超聲波發(fā)射/接收電路以及驅(qū)動板整體電路設(shè)計。

4)開發(fā)了基于LabVIEW的智能偵察車控制及信息顯示面板，界面風(fēng)格清新精致，操作簡單快捷，軟件、硬件升級空間大，在很大程度上適應(yīng)產(chǎn)品的換型。

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Design of Intelligent Reconnaissance Vehicle Based on LabVIEW

DENG Tao, LI Junying

(School of Mechantronics & Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

Based on LabVIEW software and taking Freescale K60 chip as the core, the hardware, software, circuits and host computer design of intelligent reconnaissance vehicle was carried out; furthermore, the real car was manufactured. The hardware design included the design of IP camera, DC motor, stepper motor, wireless video acquisition card, wireless module, steering gear, ultrasonic module, searchlight, MQ-2 combustible gas sensor and so on. The software design included the design of overall control program and complier program. The circuits design contained Freescale K60 chip circuit, ASM1117 regulating circuit, the DC motor BTS7960 driving circuit, ultrasonic transmitting/receiving circuit and the whole circuit board design. The host computer program design adopted the virtual instrument, used LabVIEW to program, and developed the control and information display panels, ultrasonic ranging and combustible gas detection panels of the intelligent reconnaissance vehicle.

vehicle engineering; LabVIEW; Freescale K60; hardware design; software design; circuit design

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.34

2015-06-20；

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金項目(51305473)；中國博士后科學(xué)基金項目(2014M552317)；重慶市博士后研究人員科研項目 (xm2014032)；重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA0794)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ120421)

鄧 濤(1982—)，江西新干人，副教授，博士后，主要從事混合動力方面的研究。E-mail：d82t722@163.com。

U462.2

A

1674-0696(2016)03-173-05