基于Jetson TX1的應(yīng)急救援車輛遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

文/王新晴 李玉陽(yáng) 華夏 俞垚魏

為了解決當(dāng)前救援，特別是山區(qū)的搶險(xiǎn)救災(zāi)中的人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)以及救援人員受到威脅的問(wèn)題，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)無(wú)人化將作為應(yīng)急救援裝備的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。但是當(dāng)前救援車輛完全依靠自己“智能”控制自己還尚未成熟，因而發(fā)展遠(yuǎn)程遙控救援車輛能夠有效解決當(dāng)前在救援過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。本文采用無(wú)線電通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)急救援車輛的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)救援場(chǎng)地的視頻監(jiān)控以及周邊地形的顯示，促進(jìn)無(wú)人應(yīng)急救援車輛的研究。

1 應(yīng)急救援車輛監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

急救援車輛遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包含TX1、32線激光雷達(dá)和無(wú)線電臺(tái)等部分，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

應(yīng)急救援車輛環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一體機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)對(duì)救援車輛的行走和周圍環(huán)境的監(jiān)控。云臺(tái)攝像機(jī)、32線激光雷達(dá)布置、GPS天線、電臺(tái)天線安裝在救援車輛的車頂，并且激光測(cè)距儀器固定在云臺(tái)攝像機(jī)上，32線激光雷達(dá)安裝在云臺(tái)攝像機(jī)的頂部，如圖2。

32線激光雷達(dá)、云臺(tái)攝像機(jī)以及激光測(cè)距儀為操作人員提供周邊環(huán)境信息。為救援車輛趴坡、越障、實(shí)施救援等行動(dòng)提供監(jiān)控。救援車輛采用圖傳電臺(tái)和數(shù)傳電臺(tái)將圖像信息和車輛其他返回信息以電磁波的形式傳給電臺(tái)接收機(jī)，圖傳電臺(tái)接收機(jī)、2個(gè)數(shù)傳電臺(tái)接收機(jī)分別通過(guò)HDMI、RS232、RS485將視頻和數(shù)據(jù)傳送給接收端，接收端指令是通過(guò)RS232、RS485傳送進(jìn)入數(shù)傳電臺(tái)的。

高機(jī)動(dòng)、多功能是應(yīng)急救援車輛的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。根據(jù)地震等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)需求，其應(yīng)具備挖掘、沖擊、剪切、擴(kuò)張、切割五種機(jī)具快換功能，以應(yīng)對(duì)多種救援場(chǎng)合；當(dāng)出現(xiàn)江河阻隔、地面塌陷、火勢(shì)包圍等導(dǎo)致水陸不通時(shí)，果斷實(shí)施超低空投放，爭(zhēng)取救援時(shí)間。

本文中采用的應(yīng)急救援車輛是步履式挖掘機(jī)，如圖3，步履式挖掘機(jī)是一種多功能、步履復(fù)合的液壓挖掘機(jī) [2]。但是不具備空調(diào)輸送、多功能、無(wú)人化行走和作業(yè)能力。結(jié)合步履式挖掘機(jī)出色的山地越障能力，對(duì)其進(jìn)行改造。

2 主控制單元

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究的有很多，如許艷梅的基于LabVIEW的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[3]、王軍偉的基于嵌入式ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[4]、李鵬的基于Web的家用機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[5]以及 魏雅的基于云臺(tái)的無(wú)線視頻監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]等等，這些監(jiān)控系統(tǒng)各有特點(diǎn)，但都無(wú)法試用與應(yīng)急救援裝備。

在選用Jetson TX1之前，本文調(diào)研了許多嵌入式板卡，例如ARM、賽靈思的ZedBoard、英偉達(dá)的Jetson TK1等等，目前有許多基于ARM開(kāi)發(fā)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)最終本文選擇Jetson TX1有以下幾點(diǎn)原因：首先，ARM公司的板卡內(nèi)置的GPU性能不足以支撐需求；其次賽靈思的Zedboard板卡是基于FPGA的，目前開(kāi)發(fā)起來(lái)很費(fèi)時(shí)間；最后JetsonTK1是Jetson TX1的前身，英偉達(dá)在Jetson TX1在性能功耗上做的都比TK1好，所以文本最終選擇Jetson TXl。

圖1：應(yīng)急救援車輛遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2：云臺(tái)攝像機(jī)和32線激光雷達(dá)安裝示意圖

Jetson TX1是NVIDIA推出了一款小型Linux系統(tǒng)級(jí)嵌入式系統(tǒng)板卡[7]。Jetson TX1 SoM設(shè)計(jì)滿足低功耗環(huán)境要求，集成：先進(jìn)的3D圖形、視頻和圖像處理、并行計(jì)算、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)能力、32bit和64bit的操作能力，除了性能和功耗，TX1還具有豐富的I/O、小尺寸，從而減少的系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，TX1是很對(duì)應(yīng)用的理想選擇。包括：智能視頻分析（IVA）、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、游戲設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、袖珍醫(yī)學(xué)設(shè)備。

Jetson TX1采用了20納米芯片技術(shù)，并且采用1024-GFLOP Maxwell GPU，64位四核ARM Cortex-A57和硬件H.265編碼器/解碼器構(gòu)建而成，模塊全大小為5Ox87mm，。板載組件包括4GB的LPDDR4、16GB eMMC閃存、802.11 ac WiFi、藍(lán)牙4.0、千兆以太網(wǎng)，并接受5.5V-19.6VDC輸入。接口方面，Jetson TX 1可以滿足大多數(shù)場(chǎng)合的需求，在雙ISP上可以同時(shí)接受多達(dá)6臺(tái)MIPI CSI-2攝像機(jī)，具有2個(gè)USB3.0口，3個(gè)USB2.0口，PCIe接口，還有獨(dú)立的HDMI 2.0 / DP 1.2和DSI/eDP1.4接口，還集成了3路SPI,4路I2C，3路UART,SATA,GPIO組成 [8]。Jetson TX1在空閑狀態(tài)下功耗僅為1瓦或更低，正常CUDA負(fù)載下功耗約為8-10瓦，只有當(dāng)模塊充分利用時(shí)功耗高達(dá)15瓦。英偉達(dá)的Jetson TX1內(nèi)部擁有自動(dòng)調(diào)速器，可以根據(jù)自身的工作負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)功率，或者通過(guò)用戶命令來(lái)選通內(nèi)核并指定時(shí)鐘頻率。四個(gè)ARM A57內(nèi)核可以自動(dòng)調(diào)節(jié)102MHz到1.9GHz之間的頻率，內(nèi)存控制器也可以從40MHz調(diào)節(jié)到1.6GHz,最為重要的是Maxwell架構(gòu)的GPU可以從76MHz調(diào)節(jié)到998MHz，由此可以得出Jetson TX1比傳統(tǒng)的CPU、GPU表現(xiàn)優(yōu)秀很多。Jetson TX1內(nèi)部資源如圖4。

圖3：步履式挖掘機(jī)

圖4：Jetson TX1內(nèi)部資源

圖5：電路原理圖

在Jetson TX1中我們使用了2個(gè)UART、一個(gè)網(wǎng)口、一個(gè)USB。與Jetson TX1相接的開(kāi)發(fā)板的電路原理圖如圖5。

3 外圍設(shè)備

3.1 無(wú)線電臺(tái)

應(yīng)急救援車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的通訊部分采用了一對(duì)圖傳電臺(tái)和一對(duì)數(shù)傳電臺(tái)，圖傳電臺(tái)是將云臺(tái)攝像機(jī)的視頻傳輸?shù)浇邮斩说囊惑w機(jī)，數(shù)傳電臺(tái)將車輛上儀器測(cè)得數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩说囊惑w機(jī)，并且將一體機(jī)發(fā)送的指令傳輸?shù)杰囕v上系統(tǒng)中。

3.2 32線激光雷達(dá)

32線激光雷達(dá)可以為操作車輛的人員提供車周圍環(huán)境更廣闊地形環(huán)境的描述，可以使操作手為車輛選擇到達(dá)目的地的大致路徑[9]。而云臺(tái)攝像機(jī)和激光測(cè)距可以為操作人員提供更具體的車輛周圍地形信息。在操作人員通過(guò)云臺(tái)攝像機(jī)了解周圍地形操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)感官上的距離誤差[10]，因此為避免這種情況把激光測(cè)距儀安裝在車頂上，這樣可以得到具體的距離信息。圖6中a圖為32線激光雷達(dá)，b圖為32線激光雷達(dá)點(diǎn)云圖。

3.3 云臺(tái)攝像機(jī)

云臺(tái)攝像機(jī)常用于視頻監(jiān)控和目標(biāo)跟蹤。

作為智能化監(jiān)控設(shè)備，選擇的這款云臺(tái)機(jī)身和外殼都采用高強(qiáng)度鋁合金材料，而且采用抗強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有掉電自鎖功能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用抗震設(shè)計(jì)，能夠滿足一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，此云臺(tái)具有可靠變速，360水平無(wú)限位連續(xù)旋轉(zhuǎn),自動(dòng)掃描,自動(dòng)巡航,守望,等功能，云臺(tái)整體可選配防濕熱、防鹽霧、防塵、防腐蝕處理，保障云臺(tái)在惡劣環(huán)境下能夠正常使用。云臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7。

3.4 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

輕巧便捷多系統(tǒng)高精度的接收機(jī)，兼容北/GPS/GLONASS/GALILEO四系統(tǒng)全頻點(diǎn)。有豐富的通訊接口，包括串口、USB、以太網(wǎng)及CAN總線。圖8為導(dǎo)航系統(tǒng)外觀連接圖。

4 應(yīng)急救援車輛監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。該軟件主要包括圖像采集和各傳感器數(shù)據(jù)采集等，設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖6：32線激光雷達(dá)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像獲取包括云臺(tái)攝像頭機(jī)和32線激光雷達(dá)兩部分，二者實(shí)現(xiàn)了對(duì)HDMI和RS232的數(shù)據(jù)采集。應(yīng)急救援車輛自身搭載的云臺(tái)攝像機(jī)可以自主旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)?duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)化圖像掃描。

4.2 嵌入式linux系統(tǒng)搭建

NVIDIA JetPack SDK是構(gòu)建應(yīng)用程序的最全面的解決方案。本文使用JetPack安裝程序來(lái)為提供最新的操作系統(tǒng)映像，為主機(jī)PC和開(kāi)發(fā)者工具包安裝開(kāi)發(fā)工具，并安裝用于啟動(dòng)開(kāi)發(fā)環(huán)境所需的庫(kù)和api、示例和文檔。在給Jetson TX1系統(tǒng)配置的時(shí)候需要一臺(tái)Linux主機(jī)進(jìn)行輔助，主機(jī)和Jetson TX 1之間通過(guò)路由連接。安裝步驟如下：

（1） Jetson TX1配置網(wǎng)絡(luò)。

（2） Jetson TX1連接主機(jī)。

1.斷開(kāi)電源，保證開(kāi)發(fā)板處于斷電關(guān)機(jī)狀態(tài)。

2.用網(wǎng)線連到路由器上，插上鼠標(biāo)鍵盤。

3.用Micro USB線把開(kāi)發(fā)板連到電腦上。

4.接通AC電源，按下Power鍵，開(kāi)機(jī)。

5.長(zhǎng)按Rec鍵不松開(kāi)，然后點(diǎn)按一下Reset鍵，過(guò)2s以后，才松開(kāi)Rec鍵，此時(shí)開(kāi)發(fā)板處于強(qiáng)制恢復(fù)模式。

（3） Jetson TX1系統(tǒng)測(cè)試。

（4）更改系統(tǒng)設(shè)置，安裝所需軟件。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在某校區(qū)進(jìn)行了實(shí)際作業(yè)，以驗(yàn)證應(yīng)急救援車輛監(jiān)控系統(tǒng)是否滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，是否符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明：一體機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)拍攝圖片和錄制視頻等功能;實(shí)現(xiàn)云臺(tái)攝像頭和32線激光雷達(dá)畫(huà)面的切換，同時(shí)，還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境信息，控制救援車輛避障。一體機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)際監(jiān)測(cè)畫(huà)面如圖10所示。

圖7：云臺(tái)攝像機(jī)

圖8：GPS

試驗(yàn)表明：一體機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件可以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)攝像頭和32線激光雷達(dá)的監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)需求旋轉(zhuǎn)攝像頭。驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

圖9：視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖10：監(jiān)測(cè)軟件實(shí)際監(jiān)測(cè)畫(huà)面

應(yīng)急救援車輛遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用了嵌入式Linux技術(shù)、圖像采集和無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)，將視頻監(jiān)控和激光雷達(dá)應(yīng)用于救援車輛中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)救援過(guò)程圖像的實(shí)時(shí)顯示，并能及時(shí)對(duì)救援中的緊急狀況進(jìn)行處理。采用無(wú)線電臺(tái)技術(shù)，搭載高性能的Jetson TX1處理器，并結(jié)合Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急救援車輛遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)試表明：該系統(tǒng)能夠在城區(qū)1.5公里內(nèi)穩(wěn)定監(jiān)控救援車輛周圍環(huán)境狀況，并可以為遠(yuǎn)程操控車輛提供了有效監(jiān)控手段，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和可靠性。