CN103248673A - 基于wifi的可远程控制的半自主救援车系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统，包括上位机数据的发送与接收单元、MCU主控器的数据接收、发送与处理单元。本发明还公开了一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统的控制方法，其内容包括如下步骤：1、初始化，该步骤包括（1）WIFI模块设置：（2）车体设置：（3）上位机设置：（4）控制软件设置：2、动作控制，该步骤包括（1）五种基本状态控制：（2）蛇形前进形态控制：（3）摄像头旋转控制：（4）运动状态监测：3、停止系统。本发明更加丰富和晚上了现有的不完备的救援系统，使救援更加容易简便，人身伤亡和财产损失大大的降低。

Description

基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制技术领域，特别涉及一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国火灾、矿难、地震等事故时有发生发生，给人民生命及财产造成了巨大的损失。以火灾为例，2000年-2008年全国特别重大火灾12起，造成巨额财产损失。事故一旦发生，事故现场勘察阶段是救护过程中最危险但也是最重要的环节。做好事故现场的勘探工作，对挽救经济损失甚至挽救生命都是十分重要的。而目前主要采用消防车、高空作业车等大型救援设备，对于那些对人体损害极大、不能由人进入实施救援及勘测的现场，该设备就如同虚设。在市场上，能适应于野外、狭隘、未知等高危险区域救援的，只有某些带有图像采集功能的勘测车。目前带有图像采集功能的勘测车主要采用基于“移动通信网络”的无线交互方式进行控制。它最大的问题在于它完全依赖于移动通信网络进行信息交互。而现在的移动网络并未做到百分之百覆盖，而且接入点过多经常造成网络不稳定。因此，此类机器人存在适用范围有限和系统不稳定的缺点。而且救援车上搭载的无线图像采集传输单元由网络摄像头和无线路由器组成，它是由摄像头采集并打包数据，通过无线路由器发送给上位机。这种方式的缺点在于功耗大，抗干扰能力低。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统，包括上位机数据的发送与接收单元、MCU主控器的数据接收、发送与处理单元；

所述的上位机数据的发送与接收单元包括计算机的无线网卡、WIFI模块、主控单片机、数字摄像头及其接收器；计算机的无线网卡与WIFI模块与网络连接，无线网卡将上位机发送数据并将其写入TCP中的数据处理好发送到网络，WIFI模块接收并处理这些数据，然后通过串口的TXD引脚传送给主控单片机，单片机接收后处理数据，进行相应的比如前进，后退等状态改变；上位机接收两种数据信息，一种是状态显示信息，该信息由单片机通过串口的RXD引脚传给WIFI模块，模块打包并传送信息，计算机的无线网卡接收后处理信息，将数据写入计算机的TCP，通过不停读取TCP将信息显示到上位机控制软件中；另一种是图像信息，该信息由救援车携带的摄像头采集、处理并发送，插在上位计算机USB的信息接收机接收到图像信息后，处理并传输给计算机，由WINDOWS携带的解码系统解码后显示到软件中，该信息可供救援者观察救援现场情况等；

所述的MCU主控器的数据接收、发送与处理单元包括主控单片机、从控单片机、电机驱动模块；主控单片机接受上位机指令后进行数据校验，获得上位机要求救援车动作指令，主单片机便将相应的电平传递给电机驱动模块，该模块放大电流后将电流输给电机，控制电机工作；同时主控单片机将与该动作指令相应的代码由SPI协议传给从控单片机，从控单片机接收并译码数据后，控制舵机转动；每个动作指令执行成功后，均发送特定的状态显示信息给上位机。

本发明的目的还在于提供一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统的控制方法，其内容包括如下步骤：

第一步、初始化

（1）WIFI模块设置：

连好串口线，给WIFI模块上电，打开WIFI配置管理程序对WIFI模块IP地址、类型、密码等进行配置；

（2）车体设置：

将WIFI模块放入车体，打开单片机、摄像头电源开关；

（3）上位机设置：

把上位机的无线IP地址设置成WIFI模块要求的地址，将上位机连接到WIFI建立的网络；

（4）控制软件设置：

开始运行软件（此时需要按下车体开始键，即自动向上位机服务器发出连接请求）软件接收到请求后，按下成功接收按键，等待约30秒，当面板上“开始”指示灯变为绿色即证明连接成功；可以用该面板进行相应的控制；

第二步、动作控制

（1）五种基本状态控制：

五种基本状态是指前进、后退、左转、右转、停止五种状态；首先将“模式参数设置”处的速度条拉到某一需要的速度值，然后按下“运动状态选择”处的状态相应的按键；

（2）蛇形前进形态控制：

此只需将“模式参数设置”处的方向盘的指针转向相应的角度即可；

（3）摄像头旋转控制：

将面板处“发送区”输入“left”后发送，即可控制摄像头左转；输入“right”后发送，即可控制摄像头右转；

（4）运动状态监测：

只需实时监控“接受区”的数据返回即可，如果运行正常，每改变一个状态，均会出现相应的字符串，比如前进时会出现“goforward ok”字样；

第三步、停止系统

关闭控制面板、断开网络连接、关闭救援车电源。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，是具有这样的有益效果：

1、本发明使用了WIFI无线传输技术，该技术的关键优势是可以自己组建网络，并利用自己的网络进行随时随地传输信息，无需依赖其他网络进行数据传输。因此，适用于无网络覆盖的区域，系统也更加稳定；

2、本发明采用了数字化单通道传输的图像采集传输设备，不仅解决了图像精度低、传输速率低的问题而且增强了抗干扰能力；

3、本发明具有的优势，因为任何两个连接上同一个WIFI网络的移动设备都能进行直接通信，只要手中有携带WIFI的设备，可以与机器人的网络连接，能运行根据需要编写的上位机控制软件，就能实施控制，使本发明有了更灵活的控制平台，能使用在更加特殊的环境；

4、本发明具有体积小，适应环境范围广；造价低，便于推广；核心部分可移植，可以应用于不同的车体结构；可搭载多种传感器、实现内部可置物等功能。本发明更加丰富和晚上了现有的不完备的救援系统，使救援更加容易简便，人身伤亡和财产损失大大的降低。

附图说明

图1是本发明系统整体框图；

图2是本发明系统整体硬件图；

图3是主控单片机接收、校验数据程序流程图；

图4是主控单片机状态转换程序流程图；

图5是从控单片机状态转换程序流程图；

图6是上位机软件发送数据程序流程图；

图7是本发明操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统，包括上位机数据的发送与接收单元、MCU主控器的数据接收、发送与处理单元；

所述的上位机数据的发送与接收单元包括计算机的无线网卡、WIFI模块、主控单片机、数字摄像头及其接收器；计算机的无线网卡与WIFI模块产生的网络连接成功后，上位机发送数据时，上位机控制软件将数据写入TCP，无线网卡将TCP中的数据处理好发送到网络，WIFI模块接收并处理数据，然后通过串口的TXD引脚传送给主控单片机，单片机接收后处理数据，进行相应的比如前进，后退等状态改变。上位机接收数据主要有两种形式，其一是状态显示信息，该信息主要显示在上位机控制软件中以供操作者辨别救援车的运动形态是否正确。该信息由单片机串口的TXD引脚传给WIFI模块，模块打包并传送信息，计算机的无线网卡接收后处理信息，将数据写入计算机的TCP，通过不停读取TCP将信息显示到上位机控制软件中。上位机接收的另一种信息是图像信息，该信息由救援车携带的摄像头采集、处理并发送，插在上位计算机USB的信息接收机接收到图像信息后，处理并传输给计算机，由WINDOWS携带的解码系统解码后显示到软件中，该信息可供救援者观察救援现场情况等。

所述的MCU主控器的数据接收、发送与处理单元主要涉及到了主控单片机、从控单片机（又名舵机控制卡）、电机驱动模块。其中，数据接收、发送单元作用过程即上述“上位机发送、接收数据”过程。此处主要介绍MCU主控器的数据处理及其后续过程。以上位机传送前进指令并令摄像头左转一圈为例，主控单片机接受指令后进行数据校验，校验正确后得知上位机要求救援车前进，主单片机便将相应的电平传递给电机驱动模块，该模块放大电流后将电流输给电机，控制电机相应的转动；同时主控单片机将与“左转一圈”相应的代码由SPI协议传给从控单片机，从控单片机接收并译码数据后，规定引脚输出特殊占空比的PWM波形，控制舵机转动。每个指令执行成功后，均发送特定的状态显示信息，发送过程如“上位机发送、接收数据”部分所述。

如图2所示，WIFI模块采用的是HLK-WIFI-M03WIFI模块，该模块数据传输速率高达54Mbps；支持大范围的波特率和硬件RTS/CTS流控；支持两种无线网络类型和多种安全机制；支持多种网络协议；支持自动和命令两种工作模式和多种配置方式。人为给予3.3V直流电模块便启动工作。二者通过串口进行通信，连线规则为WIFI模块的TXD与单片机的RXD连接，WIFI的RXD与单片机的TXD连接。WIFI接收到的数据通过TXD传输给单片机，单片机要发送的数据则通过单片机的TXD传给WIFI模块。

主控单片机和从控单片机采用的是AVR系列的ATmega16单片机，与同类单片机相比，该款单片机具有资源丰富、系统稳定、编程简单等优点。

主控单片机用于控制电机驱动模块，该模块中由单片机产生的PWM波形和一个恒定电平通过数字运算后形成一个适合于电机驱动卡的PWM波形和恒定电平，从而控制电机正传与反转，以实现运动状态的转变。

电机驱动单元由NISI IMS-1驱动模块实现。IMS-1驱动模块具有控制方式多样、输出电压高、编程实现简单等优点。

从控单片机用于舵机控制卡模块，该模块建立在单片机SPI通信的基础上，主单片机起控制和选择运动状态的作用，从单片机起具体控制舵机旋转角度的作用。

供图像采集用的图像采集模块采用了基于USB的手持监控设备，它具有38万像素以上的高分辨率；16.39Mbps传输速率；500米的有效距离；支持语音；适合Windows所有系统。

救援车系统的软件设计主要在集中在单片机对数据的接收与处理；上位机对数据的发送与接收以及单片机的主控设计三部分。下面将分块介绍每部分的具体工作流程。

单片机对数据的接收与处理部分是单片机接收到数据后进行的第一步操作，主要实现的功能是接收数据后校验数据是否正确，正确则存储下来，不正确就抛弃数据，继续等待接收数据。具体的程序流程图如附图3所示。

程序运行过程解说：分析接收数据的前8位数据是否符合第一类编码，是则接收本帧数据的后8位，并转去单片机主控设计单元；不符合则判断是否符合第二类编码，是则接收并存储本帧数据的中8位，然后接收并存储本帧数据的后8位，并转去单片机主控设计单元；不符合则抛弃该数据，继续等待接收数据。

上位机对数据的发送部分主要以便携式计算机为操作平台。通信过程主要涉及了计算机的无线网卡，WIFI模块，单片机和摄像头及其接收器几部分。依托Labview软件，实现状态显示数据和图像数据的接收、显示和发送控制数据两个功能。计算机发送数据为运动状态控制信息，接收状态显示信息为该过程的逆过程。上位机具体软件设计的程序流程图如附图6所示。

程序运行过程解说：

上位机运行后不停循环判断数据传输模式，发生改变就更新状态数据位，然后读取速度信息，更新速度数据位，然后将两个数据分别打包，传给计算机的TCP，通过无线网卡传输出去。

单片机的主控设计部分实现的功能是处理数据并后进行相应操作，主控单片机能实现的功能主要是救援车匀速或变速的前进、后退、原地左转、原地右转、蛇形前进、摄像头左转、右转等功能。具体的程序流程图如附图4所示。

程序运行过程解说：

通过每帧数据的前8位选择运动状态，选择好后进入单独的运动状态函数中运行。每个函数的运行过程相同，都为改变电平和生成PWM波形。就不在此赘述。

从控单片机主要控制舵机旋转，具体流程图如附图5所示。

程序运行过程解说：

每帧数据中都有特定一位用来控制舵机，该为高/低电平时主机通过SPI传给从机抬升/下降的指令，从机产生相应的PWM波形，改变舵机角度。

如图7所示，一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统的控制方法，其内容包括如下步骤：

第一步、初始化

（1）WIFI模块设置：

连好串口线，给WIFI模块上电，打开WIFI配置管理程序对WIFI模块IP地址、类型、密码等进行配置；

（2）车体设置：

将WIFI模块放入车体，打开单片机、摄像头电源开关；

（3）上位机设置：

把上位机的无线IP地址设置成与WIFI模块要求的地址，将上位机连接到WIFI建立的网络；

（4）控制软件设置：

开始运行软件（此时需要按下车体开始键，即自动向上位机服务器发出连接请求）软件接收到请求后，按下成功接收按键，等待约30秒，当面板上“开始”指示灯变为绿色即证明连接成功；可以用该面板进行相应的控制；

第二步、动作控制

（1）五种基本状态控制：

五种基本状态是指前进、后退、左转、右转、停止五种状态；首先将“模式参数设置”处的速度条拉到某一需要的速度值，然后按下“运动状态选择”处的状态相应的按键；

（2）蛇形前进形态控制：

此只需将“模式参数设置”处的方向盘的指针转向相应的角度即可；

（3）摄像头旋转控制：

将面板处“发送区”输入“left”后发送，即可控制摄像头左转；输入“right”后发送，即可控制摄像头右转；

（4）运动状态监测：

只需实时监控“接受区”的数据返回即可，如果运行正常，每改变一个状态，均会出现相应的字符串，比如前进时会出现“goforward ok”字样；

第三步、停止系统

关闭控制面板、断开网络连接、关闭救援车电源。

与其他救援车相比，本救援车具有更广泛的应用范围，比如能使用在没有网络覆盖的却需要实施救援的场所，像人在沙漠地区指挥它替人寻找水源等；或者使用在空间复杂地区，像地下坑道、管道等地的救援等；或者代替人类进入某些危险区域，，像探测火灾现场受伤人员位置，探测核电站内部情况，地震坍塌区域动态情况监测等。

比如使用该救援车到火灾现场探测受伤人员位置时，救援人员可以参照操作方法对机器人进行控制。其中，WIFI的初始化过程设置一次就可以，实际应用时，只需从车体设置开始操作。初始化完成后，救援人员就可以控制救援车，让它进入火灾现场，通过观察摄像头返回的数据，可以搜集现场情况，同时通过控制操作面板针对性的对车体运动进行改变，当探测到受伤人员时，救援人员可通过摄像头内置麦克风与伤者对话，或者根据记录的路径进入实施救援等。

Claims (2)

1.一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统，其特征在于：包括上位机数据的发送与接收单元、MCU主控器的数据接收、发送与处理单元；

所述的上位机数据的发送与接收单元包括计算机的无线网卡、WIFI模块、主控单片机、数字摄像头及其接收器；计算机的无线网卡与WIFI模块与网络连接，无线网卡将上位机发送数据并将其写入TCP中的数据处理好发送到网络，WIFI模块接收并处理这些数据，然后通过串口的TXD引脚传送给主控单片机，单片机接收后处理数据，进行相应的比如前进，后退等状态改变；上位机接收两种数据信息，一种是状态显示信息，该信息由单片机通过串口的RXD引脚传给WIFI模块，模块打包并传送信息，计算机的无线网卡接收后处理信息，将数据写入计算机的TCP，通过不停读取TCP将信息显示到上位机控制软件中；另一种是图像信息，该信息由救援车携带的摄像头采集、处理并发送，插在上位计算机USB的信息接收机接收到图像信息后，处理并传输给计算机，由WINDOWS携带的解码系统解码后显示到软件中，该信息可供救援者观察救援现场情况等；

所述的MCU主控器的数据接收、发送与处理单元包括主控单片机、从控单片机、电机驱动模块；主控单片机接受上位机指令后进行数据校验，获得上位机要求救援车动作指令，主单片机便将相应的电平传递给电机驱动模块，该模块放大电流后将电流输给电机，控制电机工作；同时主控单片机将与该动作指令相应的代码由SPI协议传给从控单片机，从控单片机接收并译码数据后，控制舵机转动；每个动作指令执行成功后，均发送特定的状态显示信息给上位机。

2.一种基于WIFI的可远程控制的半自主救援车系统的控制方法，其内容包括如下步骤：

第一步、初始化

（1）WIFI模块设置：

连好串口线，给WIFI模块上电，打开WIFI配置管理程序对WIFI模块IP地址、类型、密码等进行配置；

（2）车体设置：

将WIFI模块放入车体，打开单片机、摄像头电源开关；

（3）上位机设置：

把上位机的无线IP地址设置成与WIFI模块要求的地址，将上位机连接到WIFI建立的网络；

（4）控制软件设置：

开始运行软件（此时需要按下车体开始键，即自动向上位机服务器发出连接请求）软件接收到请求后，按下成功接收按键，等待约30秒，当面板上“开始”指示灯变为绿色即证明连接成功；可以用该面板进行相应的控制；

第二步、动作控制

（1）五种基本状态控制：

五种基本状态是指前进、后退、左转、右转、停止五种状态；首先将“模式参数设置”处的速度条拉到某一需要的速度值，然后按下“运动状态选择”处的状态相应的按键；

（2）蛇形前进形态控制：

此只需将“模式参数设置”处的方向盘的指针转向相应的角度即可；

（3）摄像头旋转控制：

将面板处“发送区”输入“left”后发送，即可控制摄像头左转；输入“right”后发送，即可控制摄像头右转；

（4）运动状态监测：

只需实时监控“接受区”的数据返回即可，如果运行正常，每改变一个状态，均会出现相应的字符串，比如前进时会出现“goforward ok”字样；

第三步、停止系统

关闭控制面板、断开网络连接、关闭救援车电源。

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