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基于ARM的水面机器人控制系统研究基于ARM的水面机器人控制系统研究——毕业论文答辩基于ARM的水面机器人控制系统研究2•目录研究背景与现状系统调试总结与展望系统总体设计系统硬件设计系统软件设计基于ARM的

水面机器人控制系统研究3研究背景•研究背景近年来，我国水域垃圾污染问题日益严重。河道、近海、湖泊、水库等水域漂浮垃圾随处可见人工清理：人力、物力以及安全上存在隐患垃圾清理船清理：不易清理分散的漂浮物、

成本高课题来源于浙江省公益技术研究资助项目“可返航充电的水面漂浮垃圾自动清理机器人研制”基于ARM的水面机器人控制系统研究4•国外现状主要以美国为首的西方国家，具有起步早，技术成熟，功能齐全，自动化程度也高。美国联合国际船

舶trashCat清理船西班牙Beach-Trollers公司研发的solid清理船意大利的GLOBECO公司研发的Dolphin生态清理船5•国内现状基于ARM的水面机器人控制系统研究“清漂1号”“世纪之光”清理船相比

国外，国内起步较晚，但是起步高，运用到了比较前沿的技术，比较有名的有704研究所研发的清漂一号，和世纪之光号。但大多是应用于比较大面积的河流，湖泊，对于狭隘的河流，湖泊等就不能很好操作，而且产品功能比较单一等特点基于A

RM的水面机器人控制系统研究6•系统总体方案设计遥控终端WiFi天线GPS天线左推进器右推进器舵机摄像头电子罗盘主控电路电机控制模块捕获电机核心板采用迅为iTop4412核心板，处理器采用三星的Exynos4412处理器。系统主要由信号采集，输出控制，无线通信

以及核心控制电路组成基于ARM的水面机器人控制系统研究7•系统硬件电路设计Exynos4412处理器GPS信号采集摄像头视频采集模块电子罗盘信号采集调试模块网络模块遥控终端电机驱动控制模块电池电量ADC

采集无线通信USB串口串口ADCPWM系统总体框图基于ARM的水面机器人控制系统研究8•系统硬件电路设计-电源电路4V，电源管理芯片S5M8767供电基于ARM的水面机器人控制系统研究9•系统硬件电路设计-串口通信电路电平转换GPS接口电子罗盘接口基于ARM的水面机器人控制系统研究10

•系统硬件电路设计-电压采集与USB、网络接口设计电压采集USB接口电路网络接口电路基于ARM的水面机器人控制系统研究11•系统软件设计水面机器人控制系统软件数据采集模块输出控制模块数据上传模块GPS位置信息电子罗盘电池电量推进器舵机控制

捕获电机电池电量、GPS数据上传视频数据上传视频图像采集基于ARM的水面机器人控制系统研究12•系统软件设计开始创建套接字socket绑定bind()监听listen()while(1)接收连接confd=accept()pid=0子进程父进程子进程pid_child=0孙子进程读取管道传感器

数据发送数据读取命令数据命令数据写入命名管道pid_child=fork()pid=fork()等待子进程结束结束SIGUSR1信号发送SIGUSR1信号进程退出进程退出TCP服务器进程TCP服务器进程负责上传采集到的数据以及遥控终端的控制

命令，TCP服务器进程与信号采集和电机控制进程通过进程间通信数据交换基于ARM的水面机器人控制系统研究13•系统软件设计—驱动初始化设备Adc_init()设置ADC转换通道adc_ioctl()选择转换通道adc_open()读取电压adc_read()开始打开设备open(/de

v/adc,O_RDWR)发送测量命令ioctl(fd,cmd)读取测量值read(fd,buf,sizeof(buf)-1)计算测量值结束copy_from_usercopy_to_userstaticstructfile_oper

ationsadc_dirver{.open=adc_open,.read=adc_read,.release=adc_ioctl.owner=THIS_MODULE,};A/D采集的驱动程序接口staticstructfile_operationsPWM_de

vfops={.open=Exynos4412_pwm_open,.release=Exynos4412_pwm_close,.unlocked_ioctl=Exynos4412_pwm_ioctl,.owner=TH

IS_MODULE,};PWM驱动接口基于ARM的水面机器人控制系统研究14•系统软件设计—数据采集开始初始化串口从串口读取数据判断是否是GPRMC语句解析数据结束是否读到‘\n’结尾符是否读到‘\n’结尾符NNYY数据保存GPS信号采集开始读取测

量值atoi()转换为整数测量值结束打开设备文件/dev/adc计算测量电压成功失败AD电量采集基于ARM的水面机器人控制系统研究15•系统软件设计—视频采集开启视频采集打开视频设备查询设备能力设置视频采集参数向驱动申请缓冲区将帧缓存区内存映射缓冲区视频采集输入队

列入队应用程序从输出队列中取出采集到的缓冲区数据应用程序将缓存区从新入队停止视频采集重复采集IN3IN2IN1驱动采集数据Out3Out2应用程序处理数据Out1入队出队视频采集输入序列视频采集输出序列USB视频图像采集采用V4L2编程接口实现,v4l2是内核提供给应用程序的音、视频驱动接

口基于ARM的水面机器人控制系统研究16•系统软件设计—视频传输使用TCP建立连接，建立连接后，视频传输采用RTP协议，开始摄像头初始化创建视频图像采集线程socket()bind()listen()采

集图像拷贝图像用户结束服务accept()结束采集和发送线程，释放资源关闭视频设备图像数据创建图像发送线程是否连接成功连接失败采用三个线程，视频采集线程，视频流传输线程，以及一个主线程用于TCP通信建立连接视频传输采用移植开源的JR

TPLIB库基于ARM的水面机器人控制系统研究17•系统软件设计—视频传输使用TCP建立连接，建立连接后，视频传输采用RTP协议，采用三个线程，视频采集线程，视频流传输线程，以及一个主线程用于TCP通信建立连接视

频传输采用移植开源的JRTPLIB库开始设置接收端的IP及端口号创建一个RTP会话设置RTP数据的接收端设置RTP会话默认参数发送RTP、RTCP数据包基于ARM的水面机器人控制系统研究18•系统软件设计—电机控制初始化命令是否

控制命令开始初始化前进后退左转右转解析命令、判断动作方式停止结束是否推进器控制推进器通过电调来驱动，调速是通过改变PWM波的占空比来控制电调实现电调工作原理：产生一个50Hz的PWM波，高电平在1~2ms之间才能调速，在1.5m

s电平处于0状态，1ms是反方油门最大，2ms在正向最大油门电调使用前都需要发送一个1.5ms高电平脉冲初始化基于ARM的水面机器人控制系统研究19•系统软件设计—电机控制推进器直行闭环控制推进器通过电调来驱

动，调速是通过改变PWM波的占空比来控制电调实现电调工作原理：产生一个50Hz的PWM波，高电平在1~2ms之间才能调速，在1.5ms电平处于0状态，1ms是反方油门最大，2ms在正向最大油门电调使用前都需要发送一

个1.5ms高电平脉冲初始化开始获取初始航向角执行直行命令读取航向角航向偏差矫正电机速度结束是否基于ARM的水面机器人控制系统研究20•系统软件设计—电机控制PWM脉冲高电平时间/ms转动的角度/度0.501451.

5902.01452.5180开始初始化脉宽为1.5ms打开设备文件dev/pwm解析舵机控制命令达到180度角度增加命令角度增加角度减小达到0度读取控制命令巡航结束停止角度减小命令角度减小命令回到初始位置命

令回到初始位置否是是是否否是否否舵机控制舵机脉宽与转动角度关系基于ARM的水面机器人控制系统研究21•系统调试-GPS模块选择在空旷室外将GPS模块连接到系统板子对应串口上，网口连接网线与连接无线路由相连下载编译好的测试程序到控制

板，笔记本连接到无线路由，并使用网络调试助手调试基于ARM的水面机器人控制系统研究22•系统调试-电子罗盘模块实验室环境将电子罗盘连接到系统板子对应串口上下载编译好的测试程序到控制板，连接好调试串口，运行程序基于ARM的水面机器人控制系统研究23•系统调试-视频

传输空旷室内场地将USB摄像头连接到系统板子USB口上，同时网口与无线路由通过网线相连好下载编译好的测试程序到控制板，运行程序，在安装好的手机客户端连接到控制板的IP，可以观察到视频图像，同时移动手机，测量传输距离，发现在60m左右下手机能

够收看到视频基于ARM的水面机器人控制系统研究24•系统调试-电量监测实验室环境将12V的锂电池接入到AD采集接口，网线一端接到板子以太网网口上，一端接到无线路由器上下载编译好的测试程序到控制板，运行

程序，将AD采集到的电池电压通过网络发送到笔记本，通过网络调试助手连接网络调试基于ARM的水面机器人控制系统研究25•系统调试-PWM调试实验室环境将示波器连接到控制板上的引出来为推进器实验的PW

M引脚上下载编译好的测试程序到控制板，动态加载驱动，运行测试程序，通过示波器观察PWM波形占空比：10%频率：50Hz基于ARM的水面机器人控制系统研究26•系统调试-综合调试学校某水池环境进行实验控制仓连接盖密封处

理控制系统水池实验基于ARM的水面机器人控制系统研究27•总结与展望总结：1.根据需求，实现了对系统方案设计2.实现了对系统的硬件和软件进行设计3.完成了系统的模块调试和整体的实验调试工作4.实现了多路信号

的采集与传输，5.实现了视频的采集与网络传输，通过手机客户端可以看到摄像头采集的画面，传输距离60m6.实现了手机客户端对水面机器人的遥控展望：1.现阶段实现了视频的传输，距离不够远，需改进，同时需增加图像识别系统，实现图像的自主识别2.系统暂未确定

垃圾捕获机械装置，后续需进一步改进