基于多任務系統(tǒng)模擬交警手勢機器人

王松 　陳珂　許哲　高鵬

摘要：本設計以STM32系列處理器為核心控制單元，結(jié)合uC＼OS-II操作系統(tǒng)、傳感器技術及無線通信技術，建立了基于嵌入式技術的可通過遠程遙控的可模擬交警手勢的機器人。實踐證明，該系統(tǒng)具有功能豐富，高可靠性等優(yōu)點，具有一定的實用價值。

Abstract： This design takes the STM32 series processor as the core control unit. Combined with the uC＼OS-II operating system， the sensor technology and wireless communication technology， the robot can simulate the traffic police gestures that controlled by remote on the basic of embedded technology is established. Practice has proved that the system has the advantages of rich functions， high reliability and so on， it has a certain practical value.

關鍵詞：嵌入式；機器人；STM32

Key words： embedded；robot；STM32

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0165-02

0 引言

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，車輛、駕駛?cè)撕偷缆吩鲩L迅速，全國公安交警警力的增長嚴重滯后于公路、機動車和駕駛?cè)说脑鲩L。公安交通管理部門及交警承擔著大量的執(zhí)法和管理任務。由于警力嚴重不足，公安交警經(jīng)常加班加點，長期超負荷工作，得不到及時的休息和調(diào)整。此外，由于受噪音、汽車尾氣污染等影響，許多交警身心疲憊，積勞成疾。交警隊伍中患病人員數(shù)量大量增加，患病類型日益多樣化，總體發(fā)病率和平均單病發(fā)病率逐年上升。交警英年早逝、猝死在工作崗位上的現(xiàn)象時有發(fā)生，交警這一職業(yè)也因此被稱為“三高”（即高污染、高強度、高風險）職業(yè)。

針對這一現(xiàn)象，智能交通系統(tǒng)是交通事業(yè)發(fā)展的必然選擇，是交通事業(yè)的一場革命。因此，本項目通過機器人模擬交警來完成指揮交通的工作，即設計一款“基于多任務系統(tǒng)的模擬交警手勢機器人”。此設計比傳統(tǒng)的交通技術和手段更適應經(jīng)濟社會發(fā)展的要求，節(jié)約大量的人力資源，不僅可以高效改善交通指揮現(xiàn)狀，并且可以提高交警的工作效率、生活質(zhì)量等，交警可直接在指揮中心通過無線模塊控制機器人以完成各項操作。

1 手勢機器人的基本結(jié)構(gòu)

由于長期超負荷工作，許多交警身心俱疲，積勞成疾，因此智能交通系統(tǒng)是交通事業(yè)發(fā)展的必然選擇，使用機器人代替交警來完成指揮交通的工作也是未來智能交通的主要發(fā)展趨向。本文介紹的基于多任務系統(tǒng)的模擬交警手勢機器人是以STM32為控制核心，機器人由13個舵機組成，手臂為主要轉(zhuǎn)動關節(jié)，為高自由度機器人。機器人執(zhí)行部分與交管中心的控制部分之間采用無線通信，在控制端發(fā)送執(zhí)行的手勢，機器人端自動完成。同時機器人身上裝有ov7670攝像頭模塊，可實時采集路況信息。溫濕度傳感器等可采集天氣信息并發(fā)送給交管中心。uC/OS-II多任務操作系統(tǒng)可使機器人的工作效率更高，采集天氣情況的同時采集路況信息，并進行無線發(fā)送。

2 系統(tǒng)工作原理

本設計是一套基于多任務系統(tǒng)的模擬交警手勢機器人。當交管中心的管理人員按下相應控制按鍵時，手勢機器人可以執(zhí)行此次按鍵的相應手勢動作（即交警指揮交通的手勢動作之一），共8個按鍵可執(zhí)行交警的8個程序。同時，交管中心處可以實時顯示手勢機器人通過攝像頭采集到的當前的路況信息，并將當前空氣中的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心進行顯示。

3 系統(tǒng)設計基本思路

本設計是一款是可以完全代替交警指揮交通的手勢機器人，模擬交警手勢機器人分為機器人和控制中心兩部分。工作人員只需在交管中心就可完成手勢機器人的各項控制功能。當按下某一手勢按鍵時，通過nRF24L01無線通信模塊可發(fā)送當前的數(shù)據(jù)進行進行無線發(fā)送，當手勢機器人接收到當前的數(shù)據(jù)后，就可以執(zhí)行此按鍵所代表的任一動作。我們?yōu)椴涣私馐謩莺x的人添加了屏幕顯示手勢含義的功能，更加人性化。在手勢機器人身上加裝各項傳感器，可使其具有更多更實用的功能，如加裝了溫濕度傳感器，可檢測當前的天氣情況，并進行數(shù)據(jù)反饋，如果需要可將當前溫度及濕度顯示在路面處的顯示屏上等，以完成交通的智能化控制。圖1所示為手勢機器人基本結(jié)構(gòu)示意圖。

4 芯片的選型

主控芯片采用STM32系列處理器，STM32系列處理器是一種極高性能的高速處理芯片，可以實現(xiàn)全面高速的控制。以多任務操作系統(tǒng)為平臺，使機器人的各個動作和各個功能并發(fā)完成。用豐富的定時器產(chǎn)生多路PWM信號以驅(qū)動舵機完成轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對角度精確控制，從而完成用機器人模仿交警手勢的動作。

本項目采用nRF24L01無線模塊完成指令與信息的傳輸，nRF24L01無線模塊具有極低功耗、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，實現(xiàn)了對其傳輸效率的極大利用。攝像頭模塊ov7670實現(xiàn)了對車輛和路況信息的實時采集。將攝像頭模塊ov7670與nRF24L01無線模塊兩者結(jié)合，可將當前路況信息實時傳送并顯示在交管中心的顯示屏上，完成及時有效的管理。

此外，還具有檢測溫濕度大小和是否降雨等環(huán)境因素，并提供解釋手勢含義等功能，更加人性化。

5 具體實施方案

根據(jù)以上設計方案，裝配一架以舵機為軸的高自由度機器人，可完全實現(xiàn)智能手勢機器人的基本控制功能。

模擬交警手勢機器人分為機器人和控制中心兩部分?？刂浦行目梢酝ㄟ^按鍵遠程控制機器人在崗位上指揮交通，當控制中心處按下相應按鍵時，通過nRF24L01無線通信模塊將按鍵對應的數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送；另外，控制中心處可接收機器人處發(fā)送的當前路面信息，包括溫度、濕度等，并在顯示屏上觀察到。

而當手勢機器人處接收到控制中心處的無線信號后，可執(zhí)行按鍵對應的手勢操作，手勢機器人不僅可以執(zhí)行單一動作，另外，也可設置機器人自動重復所有動作。本設計結(jié)合uC/OS-II多任務操作系統(tǒng)，使機器人的各個動作和各個任務同時完成。通過無線方式通信，也避免了傳統(tǒng)有線控制布線的所帶來的麻煩。

6 系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)分析

為檢驗系統(tǒng)工作是否穩(wěn)定、可行，本小組對演示平臺做了3次實驗。每次實驗都對各個按鍵進行試驗。在實驗中，無線通信模塊能夠準確的傳輸數(shù)據(jù)信息，各個功能模塊均正常工作，機器人運行正常，可以完成交警指揮交通的基本動作。

7 適用范圍及推廣前景

此設計比傳統(tǒng)的交通技術和手段更適應經(jīng)濟社會發(fā)展的要求，節(jié)約大量的人力資源，不僅可以高效改善交通指揮現(xiàn)狀，并且可以提高交警的工作效率、生活質(zhì)量等，交警可直接在指揮中心通過無線技術控制機器人的各項操作。

除此以外，可將模擬交警手勢機器人結(jié)合交通信號，代替交警指揮交通。這樣可實現(xiàn)完全自動化，無需人的手動控制，只有在特殊情況下，如道路擁擠，信號燈不起作用、交通事故現(xiàn)場等需要交警遠程控制指揮交通，這樣更智能，也更方便。受益于公安部《道路交通安全“十二五”規(guī)劃》、《道路交通科技發(fā)展十二五規(guī)劃》等多項政策扶持，預計未來10年國內(nèi)智能交通投入將在1820億元之巨。模擬交警手勢機器人經(jīng)濟實用，一旦投入使用將會受到很多交通部門的歡迎，其帶來的經(jīng)濟效益將是不可估量的。

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