基于STM32的智能移動拍攝手臂

李明喆　劉蕭鍵

摘要：智能移動拍攝手臂是一種模仿人的手和臂設計的一種智能裝置，該裝置通過攝像頭將獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳輸給單片機后，經(jīng)過無線傳輸，圖像數(shù)據(jù)顯示在移動終端。本文主要敘述了智能移動拍攝手臂的總體設計以及硬件和軟件設計與實現(xiàn)。

關鍵詞：智能手臂;圖像傳輸;無線控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0014-02

0 引言

智能移動拍攝手臂是以STM32為核心，以舵機、電機、攝像頭、WiFi模塊為外部固件，使用下半部分為履帶小車和上半部分為智能拍攝手臂作為基本構架，完成對作業(yè)現(xiàn)場的攝像和作業(yè)。控制模塊主要控制小車履帶的運動和舵機的角度變換。此設計通過WiFi通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，接收來自手機的命令信號，分析控制命令?？刂菩≤囅蚩刂品较蛐羞M、躲避障礙物，將攝像頭返回的圖像信息實時傳輸至移動終端顯示，通過控制端進行監(jiān)控和操作。它可以幫助人類完成因靈活性等制約因素而很難完成的工作，例如自然災害現(xiàn)場攝像等工作。智能移動拍攝手臂可通過移動終端系統(tǒng)改變軟件參數(shù)實現(xiàn)其前、后、左、右移動以及舵機移動等功能[1]。本文主要從系統(tǒng)工作原理和硬件電路中主控芯片、攝像頭和無線通信模塊等方面，來分析基于STM32的智能移動拍攝手臂的設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本設計由STM32單片機驅動模塊、Android移動終端系統(tǒng)模塊、圖像采集模塊和WiFi通信模塊四大模塊組成。其中，STM32單片機驅動模塊由STM32控制板、電機、舵機等組成;圖像采集模塊的任務由攝像頭完成;移動終端中載有軟件可以對接收圖像進行處理并發(fā)送命令使小車履帶及舵機運動;中間數(shù)據(jù)傳輸通過WiFi通信模塊實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

智能移動拍攝手臂使用攝像頭進行圖像數(shù)據(jù)采集，返回的圖像信息經(jīng)單片機模塊后使用WiFi通信模塊傳輸至移動終端系統(tǒng)處理顯示;控制者根據(jù)返回數(shù)據(jù)判斷并控制車底盤模塊;控制數(shù)據(jù)被傳輸至驅動模塊后，單片機輸出PWM波控制直流電機進而控制舵機的角度變換及履帶的運動，實現(xiàn)智能拍攝手臂的運動。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 硬件的設計與實現(xiàn)

2.1 硬件電路設計

驅動模塊中采用STM32為主控芯片，控制直流電機進而控制由舵機組成的機械臂和履帶電機;數(shù)據(jù)采集模塊使用攝像頭來完成;無線收發(fā)模塊使用WiFi通信模塊;移動終端系統(tǒng)采用移動手機上APP實現(xiàn)。系統(tǒng)模式圖如圖2所示。

2.2 硬件實現(xiàn)

（1）主控芯片。本設備的主控芯片選用STM32F103RBT6，有三種低功耗模式，分別是睡眠模式、停止模式和待機模式，具有容量大、芯片資源豐富、數(shù)據(jù)處理快等特點，便與實現(xiàn)傳送圖像數(shù)據(jù)等多種功能，且價格低廉，有利于節(jié)省成本。（2）電機模塊。直流電機有很好的調速性能，安全性好、使用壽命長并且噪聲低。電機驅動模塊使用的直流電機驅動芯片為L298P，可以使小車有足夠的驅動力。本設計中主控模塊可根據(jù)接收到的來自移動終端系統(tǒng)的參數(shù)調整輸出PWM波，控制直流電機運行進而控制履帶的運動，實現(xiàn)智能拍攝手臂的運動。（3）攝像頭模塊。攝像頭模塊作為機器視覺領域的核心部件，被廣泛地應用在安防、探險以及各類檢測等場合。攝像頭選用的是OV2640模塊，該傳感器支持輸出最大為二百萬像素的圖像，還可以對采集得的圖像進行補償，還支持一些基礎處理方式。傳感器輸出圖像數(shù)據(jù)的幀率可調（十五至六十幀）。每一個像素點儲存16位的數(shù)據(jù)來表示顏色，若想要分辨周圍的環(huán)境確切值，也可以通過讀取像素點的數(shù)據(jù)來確定。（4）WiFi通信模塊。電源連接穩(wěn)壓模塊使工作電壓為5V的無線通信模塊能夠正常運行，本設計中使用了體積較小的路由器作為WiFi模塊，可按自己的設計要求進行配置，使得移動終端連接至智能移動拍攝手臂更加方便，進行數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

3 軟件設計與實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設計主要分為控制部分和移動終端APP兩個部分。軟件設計如圖3所示。

控制部分程序主要是由攝像頭進行圖像數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)被傳輸至驅動模塊組成。攝像頭返回的圖像信息實時通過WiFi通信模塊傳輸至移動終端系統(tǒng)處理顯示，單片機輸出PWM波對機械臂和電機模塊進行控制。移動終端的APP基于Android操作系統(tǒng)，使用Java語言設計。移動終端系統(tǒng)通過無線傳輸使控制協(xié)議將參數(shù)發(fā)送到WiFi模塊上，移動終端在同一WLAN范圍內通過訪問設置的固定IP地址使之接收到圖像信息。使用陀螺儀作為信號傳感器。陀螺儀其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。通過程序控制移動器械手臂中舵機角度變換等操作，通過攝像頭將實時數(shù)據(jù)返回移動終端[3]。

4 結語

本文簡單地分析了硬件和軟件的設計思路，完成了智能移動拍攝手臂的設計。本設計可滿足我們的返回圖像信息、移動等作業(yè)要求。拍攝手臂通過攝像頭將獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳輸給單片機后，無線傳輸，采集到的圖像數(shù)據(jù)顯示在移動終端，通過移動終端的控制，實現(xiàn)其運動和舵機的角度變換，達到設計要求。

參考文獻

[1] 陳淑艷，陳文家.履帶式移動機器人研究綜述[J].機電工程，2007，24（12）：109-112.

[2] 梁鋒，王志良，解侖，等.多舵機控制在類人機器人上的應用[J].微計算機信息，2008，24（2）：242-243.

[3] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式設計[M].中國電力出版社，2012.

Smart Mobile Shooting Arm Based on STM32

LI Ming-zhe， LIU Xiao-jian

（Northwest University for Nationalities ， Lanzhou Gansu? 730000）

Abstract：Intelligent mobile shooting arm is an intelligent device designed to imitate the human hand and arm， the device transmits the acquired image data to the single chip computer through the camera， and then transmits it through wireless communication， the image data is displayed on the mobile terminal. This paper mainly describes the overall design of intelligent mobile shooting arm and the design and implementation of hardware and software.

Key words：intelligent arm; image transmission; wireless control