CN202661806U

CN202661806U - 伺服电机无线视频控制装置

Info

Publication number: CN202661806U
Application number: CN 201220298984
Authority: CN
Inventors: 任强; 周升良; 孙玉国
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2022-06-21

Abstract

本实用新型涉及一种伺服电机无线视频控制装置，摄像头模块采集电机运行情况的视频信号，由无线视频发送模块送出，上位机中的无线视频接收模块接收视频信号通过AV/USB接口传递给PC机，PC机采集视频信号并在视频窗口显示，PC机输出电机控制指令，再由无线发送模块发射，执行机的控制信号无线接收模块接收控制指令，控制指令经ARM控制器处理后在LCD上面显示，并通过RS-232串口发送到伺服驱动器，驱动电机运行。实现了有障碍100米无线视频遥控伺服电机的功能。操作人员可远离工作现场，通过我们自行开发的上位机监控软件，即可观察工作现场伺服电机的实际运行视频，又可输入指令控制电机的启停和运行速度。

Description

伺服电机无线视频控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种机械运动控制技术，特别涉及一种伺服电机无线视频控制装置。

背景技术

伺服电机具有精度高、噪声低、高速性能好的特点，在精密医疗器械，硅晶片传输机器人和激光加工等精密机械运动控制领域有着重要应用。在上述场合下，为了确保精密机械运动控制的精度要求，一般不希望操作人员频繁地在现场进行电机的启停，转速调整等操作，为此有必要研制一种针对伺服电机的无线视频监控方法和装置。

发明内容

本实用新型是针对高精度伺服电机需要无线监控更发挥其优势的问题，提出了一种伺服电机无线视频控制装置，利用PC机、ARM、无线射频、视频获取和伺服驱动等技术，实现了有障碍100米无线视频遥控伺服电机的功能。

本实用新型的技术方案为：一种伺服电机无线视频控制装置，包括执行机和上位机，执行机包括ARM控制器，无线视频发送模块，控制信号无线接收模块和直流伺服电机驱动器，上位机包括PC机，无线视频接收模块，控制信号无线发送模块，AV/USB接口，摄像头模块采集电机运行情况的视频信号，由无线视频发送模块送出，上位机中的无线视频接收模块接收视频信号通过AV/USB接口传递给PC机，PC机采集视频信号并在视频窗口显示，实时监视远程电机的运行状态，PC机输出电机控制指令，再由无线发送模块发射，执行机的控制信号无线接收模块接收控制指令，控制指令经ARM控制器处理后在LCD上面显示，并通过RS-232串口发送到伺服驱动器，驱动电机运行。

所述摄像头模块中摄像头选用夜视功能的摄像头；无线视频发送/接收模块选用1.2GHZ频段700mW无线视频传输模块；控制指令无线发送/接收模块选用2.4GHz频段100mW功率的NRF24L01+无线数据传输模块。

所述AV/USB接口将接收到的AV视频信号转化为USB格式，选用型号EasyCAP001。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型伺服电机无线视频控制装置，实现了有障碍100米无线视频遥控伺服电机的功能。操作人员可远离工作现场，通过我们自行开发的上位机监控软件，即可观察工作现场伺服电机的实际运行视频，又可输入指令控制电机的启停和运行速度。

附图说明

图1为本实用新型伺服电机无线视频控制装置中执行机结构框图；

图2为本实用新型伺服电机无线视频控制装置中上位机结构框图；

图3为本实用新型伺服电机无线视频控制装置中控制器上位机程序流程图；

图4为本实用新型伺服电机无线视频控制装置中执行机程序流程图。

具体实施方式

无线摄像头具有红外夜视功能，便于夜间监控。选用1.2GHz的无线视频传输模块，具有较好的穿透力，抗干扰能力强。选用ARM公司新一代32位Cortex-M3处理器作为控制器，具有处理速度快，性价比高的特点。操作人员可远离工作现场，通过我们自行开发的上位机控制软件，即可观察工作现场伺服电机的实际运行视频，又可输入指令控制电机的启停和运行速度。

利用PC机、ARM、无线射频、视频获取和伺服驱动等技术，实现伺服电机运动远程无线视频观察和控制。下面分硬件设计，软件设计和操作步骤，实验效果四部分进行说明。

执行机硬件包括ARM控制器5，无线视频发送模块1，控制信号无线接收模块3和直流伺服电机驱动器6，如图1所示。其中，摄像头模块1采集电机运行情况的视频信号，由无线视频发送模块2送出。无线数据接收模块3接收到上位机发过来的控制命令信号，经ARM控制器5处理后在LCD4上面显示，并通过RS-232串口发送到伺服驱动器6，实现对伺服电机7的远程控制。

上位机结构框图如图2所示，上位机硬件则包括PC机10，无线视频接收模块8，控制信号无线发送模块11，AV/USB接口9。其中，无线视频接收模块8把接收到的视频信号通过AV/USB接口9传递给PC机，利用Visual Basic中的视频控件采集视频信号并在视频窗口显示，实现对电机7的远程监视。在控制窗口输入电机控制指令，再由无线发送模块11发射出去。

所用到的硬件选型原则概述如下：

（1）摄像头：选用100万像素10m夜视功能摄像头。对工作现场光源无特殊要求。

（2）无线视频发送/接收模块：选用1.2GHZ频段700mW无线视频传输模块它不会和2.4GHz控制信号互相干扰，而且它的绕射性比较强，共15个频道可以选择，信噪比高达48db。空旷地带最远可达到2000m，可穿透一堵实体墙传输200m。

（3）控制指令无线发送/接收模块：选用2.4GHz频段100mW功率的NRF24L01+无线数据传输模块，空旷地带最多可传输1100m。它带射频开关、带通滤波器、全双向射频功放功能谐波干扰小，支持125个射频通道，功耗低。

（4）直流伺服电机：选用日本安川YASKAWA 1000线直流伺服电机。运动精度高。本实用新型同样支持交流伺服电机的控制。

（5）直流伺服驱动器：选用的XH-DCC8005直流伺服驱动器。通过对光电编码器输出的脉冲信号进行4倍频，使得电机的运动控制分辨率达到0.09°。

（6） AV/USB接口：将接收到的AV视频信号转化为USB格式，方便PC机进行视频采集。由于本实用新型只有一路视频信号，所以选用稳定性较高采集速度较快的EasyCAP001，最大显示和录制速度为PAL制式25帧,NTSC制式30帧，满足使用要求。

（7）开关电源：此电源主要是给下位机控制器、伺服驱动器和伺服电机供电，选用朗特宁T-50D 5V3A、12V1A、24V1A三路输出开关电源，其中5V给ARM控制器供电，24V给驱动器供电，这款产品额定功率为50W，如果有负载的话可以选用更大的功率的开关电源。

软件设计主要包括：视频监控程序，控制器上位机程序和执行机程序。

视频监控程序主要包含两个部分：视频显示部分和为串口通信部分。第一部分采用ezdivcap控件，该控件是一个基于Microsoft的DirectShow技术开发的音视频信号捕捉ActiveX控件。它基于DirectShow过滤器组件技术设计，采用完整的ActiveX封装，可用于多种软件开发平台，全面支持1394、USB热拔插数字视频捕捉设备。第二部分采用MSComm串口通信控件。

控制器上位机流程图如图3所示，主要包括各应用模块初始化，串口中断等程序模块。其中最重要的是串口中断程序、SPI函数、NRF24L01驱动程序。因为NRF24L01的数据传输是以SPI方式的，所以首先必须对STM32的SPI进行配置，并编写发送和接收函数。NRF24L01驱动程序包括：24L01的初始化、检测24L01是否存在、发送接收模式配置、数据包大小、发送和接受地址、数据发送和接收函数等。其中比较重要的就是发送和接收地址的定义，因为它会影响到发送和接收是否成功：

const u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址

const u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //接收地址

串口中断程序首先需要定义一个64字节的接收缓冲数组USART_RX_BUF[64]和接受状态协议——接收状态标识USART_RX_STA，其中第7位为接受完成标志位，第0-5位为接受到的数据个数，其中每次传递的数据以特殊字符“？”为结束标志，每条指令以字符“；”为结束符。

每次接收到的数据最大缓冲为64个字节，而无线数据传输模块每次最多只能发送32个字节的数据包，再者考虑到下位机对数据的处理，如果把64个数据分为2个32位数据，就有可能使数据溢出，所以在主程序发送之前要把64字节的数据USART_RX_BUF[64]分割为4个16位的数据TX_BUF0～3[16]，这样才能保证无线发射的数据不会丢失，在每次发射16位数据之后要有一定的延迟时间delay_ms(50)，此延迟的时间不能太长，否则会造成在还没有发送下面数据的时候就被新数据覆盖，延迟时间也太短，因为下位机发送指令到伺服电机执行要有一定的执行时间，经过反复测试每次发送完数据后延迟时间50ms为佳，然后将接收到的字节发回串口进行回显，并且每次发送一个数据包LED灯闪烁一下，这样可以指示操作是否成功以及显示无线发送的状态。

如图4所示执行机程序流程图，在执行机控制器主程序中，主要包括：Cortex-M3系统初始化、各应用模块初始化、LCD显示和串口字符发送等程序模块。因为对伺服电机的控制命令是字符格式的，而串口发送的是16进制的数据，所以在发送前必须进行ascii码转化。

操作步骤如下：

（1）硬件连线接好、通电，把无线视频发射和接收端的频段都设置相同。

（2）打开监控应用程序，选择“源对话框”选择视频信号采集的通道，此时可以看到视频窗口有电机的静态视频。

（3）在“com口”选择ARM控制器和PC机连接的通道，例如，com1、com2……，点击打开按钮，指示灯由红变绿，说明串口已正确打开，如果没有打开串口就进行操作会弹出一个对话框提示用户打开串口。

（4）选择驱动器的工作模式为“速度控制模式”，分别输入PID、加速度、减速比、速度和位置参数，然后电机“参数确认”，此时控制命令就由PC机串口发送到ARM控制器，然后由无线数据发送模块发射出去。此时，不仅可以在视频窗口看到电机运行，而且在控制窗口可以看到已发送的命令，同时在下位机ARM控制器的LCD屏上面可以看到已接收到的命令及其总个数。

（5）在“发送区”输入“#1 SV：100，SOPS：1000；”此时可以看到电机以100rpm的速度转过90°后停止，由于本系统使用的伺服电机为1000线，驱动器最多可以4倍频，所本系统的运动控制精度为0.09°，而且经过反复测试电机在空载的情况下，当P、I、D分别为100、5、1000的时候运动效果最好。

（6）点击“复位”按钮，电机则把当前绝对位置设置为0，“急停”按钮可以使电机不管在什么情况下都能迅速停止，但是此按钮不能经常使用，否则会对驱动器和电机造成损坏。

在通信距离为100m中间有一堵实体墙，周围有无线网络干扰等情况下，本实用新型的稳定性和抗干扰性良好，可以接收到清晰的视频信号，可以稳定地发射控制命令，伺服电机能够根据接收到的控制命令正常运转，电机的运动精度为0.09°。如果是隔3堵墙，20m的传输距离，控制信号发送接收正常，但是视频信号有点波动，原因估计是周围无线网络对系统干扰有点大，但是4堵墙间隔25m的时候，发送的控制命令就会丢失数据，由此看来，障碍物对无线数据传输的影响还是比较大的。但是一般在工业应用控制室和工业现场一般只间隔一堵墙，而且100m的传输距离也基本能够满足要求。

Claims

1.一种伺服电机无线视频控制装置，其特征在于，包括执行机和上位机，执行机包括ARM控制器，无线视频发送模块，控制信号无线接收模块和直流伺服电机驱动器，上位机包括PC机，无线视频接收模块，控制信号无线发送模块，AV/USB接口，摄像头模块采集电机运行情况的视频信号，由无线视频发送模块送出，上位机中的无线视频接收模块接收视频信号通过AV/USB接口传递给PC机，PC机采集视频信号并在视频窗口显示，PC机输出电机控制指令，再由无线发送模块发射，执行机的控制信号无线接收模块接收控制指令，控制指令经ARM控制器处理后在LCD上面显示，并通过RS-232串口发送到伺服驱动器，驱动电机运行。

2.根据权利要求1所述伺服电机无线视频控制装置，其特征在于，所述摄像头模块中摄像头选用夜视功能的摄像头；无线视频发送/接收模块选用1.2GHZ频段700mW无线视频传输模块；控制指令无线发送/接收模块选用2.4GHz频段100mW功率的NRF24L01+无线数据传输模块。

3.根据权利要求1所述伺服电机无线视频控制装置，其特征在于，所述AV/USB接口将接收到的AV视频信号转化为USB格式，选用型号EasyCAP001。