CN206840095U - 一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统，包括车体部分MCU、数据处理及控制部分MCU和PC客户端，车体部分MCU采用MSP430单片机，数据处理及控制部分MCU采用ARM处理器，MSP430单片机的UART端口通过Lora无线传输模块与ARM处理器的UART端口实现通讯，云台上安装FPV摄像头，FPV摄像头连接5.8GHZ无线图传发送模块，并通过5.8GHZ无线图传发送模块将FPV摄像头采集的数据发送出去，PC客户端通过USB视频采集卡连接5.8GHZ无线图传接收模块。LoRa与传统的无线传输方式相比具有高稳定性，低功耗，传输距离远的特点；实现了声音影像的一对多的传输，方便了搜救人员对搜救现场的监测。

Description

一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统

技术领域

本实用新型涉及搜救机器人技术领域，具体为一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统。

背景技术

近几年来地震，火灾等自然灾害及核，化，生等新型灾害都在不断发生，这样的事件往往带来的是地面的搜救救援问题的出现，在灾难发生后的72h是伤员救援的黄金期，为了在这样短的时间内实现救援的最大化往往就需要一些救援机器人的辅助。近些年对救援机器人的研究世界各地都在不断地深入同时得到了很多国家领导集体关注和重视，我国在这方面虽然起步较慢但重视程度却丝毫不弱，先后在“863”计划和国家“十二五”计划中都对救援机器人有所涉及。以下就是我们研究的一种性能优越稳定，可以实时传递环境参数(如：温湿度、位置参数等)并且操作简单方便的搜救机器人。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统，包括车体部分MCU、数据处理及控制部分MCU和PC客户端，所述车体部分MCU采用MSP430单片机，所述数据处理及控制部分MCU采用ARM处理器，所述MSP430单片机的UART端口通过Lora无线传输模块与ARM处理器的UART端口实现通讯，所述MSP430单片机的PEM输出端口连接并控制云台机械臂电机，所述MSP430单片机的AD采集端口连接加速度传感器、陀螺仪和温湿度传感器，所述MSP430单片机的12C端口与GPS实现通讯，所述机器人系统通过摇杆实现控制，所述ARM处理器通过自带的AD数据采集模块来采集摇杆的控制信号，并且通过Lora无线传输模块接收MSP430单片机所采集的传感数据，并通过ARM处理器进行处理；

在所述的机器人底盘上搭建云台，所述云台上安装FPV摄像头，所述FPV摄像头连接5.8GHZ无线图传发送模块，并通过5.8GHZ无线图传发送模块将FPV摄像头采集的数据发送出去，所述5.8GHZ无线图传发送模块安装在云台上，所述PC客户端通过USB视频采集卡连接5.8GHZ无线图传接收模块，所述5.8GHZ无线图传接收模块接收5.8GHZ无线图传发送模块所发送的数据，并传送至PC客户端显示出来。

作为本实用新型一种有选的技术方案，所述ARM处理器连接有LCD显示屏。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型是基于全新的LoRa无线传输技术和TI的低功耗单片机MSP430搜救机器人，LoRa与传统的无线传输方式相比具有高稳定性，低功耗，传输距离远的特点；该机器人同时采用了5.8GHZ的无线图传模块与之搭配实现了声音影像的一对多的传输，方便了搜救人员对搜救现场的监测；该机器人还具有二次开发的功能，对于不同的环境搭配不同的传感器可以实现能源的最大化利用同时也方便了搜救人员获得自己需要数据。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型实施例中影音传输的通信模块的结构示意图；

图3为本实用新型处理控制MCU软件流程图；

图4为本实用新型车体MCU软件流程图；

图5为本实用新型较低融合算法框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1和图2所示，本实用新型提供一种技术方案：一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统，包括车体部分MCU、数据处理及控制部分MCU和PC客户端，所述车体部分MCU采用MSP430单片机，所述数据处理及控制部分MCU采用ARM处理器，所述MSP430单片机的UART端口通过Lora无线传输模块与ARM处理器的UART端口实现通讯，所述MSP430单片机的PEM输出端口连接并控制云台机械臂电机，所述MSP430单片机的AD采集端口连接加速度传感器、陀螺仪和温湿度传感器，所述MSP430单片机的12C端口与GPS实现通讯，所述机器人系统通过摇杆实现控制，所述ARM处理器通过自带的AD数据采集模块来采集摇杆的控制信号，并且通过Lora无线传输模块接收MSP430单片机所采集的传感数据，并通过ARM处理器进行处理；

在所述的机器人底盘上搭建云台，所述云台上安装FPV摄像头，所述FPV摄像头连接5.8GHZ无线图传发送模块，并通过5.8GHZ无线图传发送模块将FPV摄像头采集的数据发送出去，所述5.8GHZ无线图传发送模块安装在云台上，所述PC客户端通过USB视频采集卡连接5.8GHZ无线图传接收模块，所述5.8GHZ无线图传接收模块接收5.8GHZ无线图传发送模块所发送的数据，并传送至PC客户端显示出来；所述ARM处理器连接有LCD显示屏，用于显示温湿度信息、车体姿态和位置等信息。

所述PC客户端、USB视频采集卡、5.8GHZ无线图传接收模块、5.8GHZ无线图传发送模块和FPV摄像头组成影音传输的通信模块，如图2所示。

所述的LoRa无线传输模块是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能，与传统的无线传输技术如2.4G的wifi、蓝牙、zigbee等相比具有高性能、高抗干扰、高可靠性、传输距离远的优点，使用扩频技术通讯，同样的城市、工业应用环境，性能优于使用传统调制方式(FSK、2-FSK、4-FSK、GFSK、PSK、ASK、OOK等)工作的射频产品，在恶劣的噪声环境下(电表中、电机旁等强干扰源附近，电梯井、矿井、地下室等天然屏蔽环境)优势尤为明显，在这里选用的是成品LSD4RF-2F717M91模块，该模块性能稳定，价格相对低廉。

为了使机器人可以长时间地正常工作我们选择的主控芯片是美国德州仪器公司开发的MSP430芯片。该类型芯片具有超低的功耗，原因其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32.768kHz)DT-26ORDT-38，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0～LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

无线图像传输系统从应用层面来说分为两大类，一是固定点的图像监控传输系统，二是移动视频图像传输系统。用于援救的机器人的图像传输属于固定点的图像监控传输系统，在大型灾难用于搜救的图像传输避免信息的泄露应该采用固定的频段，但我国现在还没有规定这样的频段。2.4GHz频段在通信领域应用广泛有蓝牙技术、HomeRF技术、MESH、微蜂窝技术等。随着应用范围的逐渐扩大，2.4GHZ这个频段处于满负荷工作状态，其速率问题、安全问题、相互兼容问题值得进一步研究。所以我们选择了更高的5.8GHZ的频段，5.8GHz的WLAN产品采用正交频分复用技术，在此频段的WLAN产品基于IEEE802.11a协议，传输速率可以达到54Mbit/s。根据WLAN的传输协议，在点对点应用的时候，有效速率为20Mbit/s；点对六点的情况下，每一路图像的有效传输速率为500kbit/s左右，也就是说总的传输数据量为3Mbit/s左右。对于无线图像的传输而言，基本上解决了“高清晰度数字图像在无线网络中的传输”问题，使得大范围采用5.8GHz频段传输数字化图像成为现实，尤其适用于城市安全监控系统。WLAN传输监控图像，目前比较成熟的是采用MPEG-4图像压缩技术。这种压缩技术在500kbit/s速率时，压缩后的图像清晰度可以达到1CIF(352×288像素)～2CIF。在2Mbit/s的速率情况下，该技术可以传输4CIF(702×576像素，DVD清晰度)清晰度的图像。采用MPEG-4压缩以后的数字化图像，经过无线信道传输，配合相应的软件，很容易实现网络化、智能化的数字化监控系统。

软件控制流程图分为处理控制MCU软件流程(如图3)和车体MCU软件流程(如图4)构成，其中处理控制MCU主要用来处理通过LoRa从车体MCU以及摇杆部分得到的各类传感器的数据后将处理得到的结果数据送到车体MCU；车体MCU主要用来将采集到的传感器的数据通过LoRa传送到处理控制MCU进行处理同时将从处理控制MCU得到的处理后的各个模块的控制参数和摇杆对应的AD值传送给相应的驱动模块。

车身姿态的判断与矫正的原理如下：

车身的姿态判断和姿态变化快慢是通过陀螺仪加速度传感器，陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。我们选用的村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理，在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。由于从陀螺仪角速度获得角度信息，需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移，经过积分运算之后，变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加，最终导致电路饱和，无法形成正确的角度信号。

加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。只需要测量其中一个方向上的加速度值，就可以计算出车模倾角，比如使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时，固定加速度器在Z轴水平方向，此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时，重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量，从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为：

Δu＝kgsinθ≈kgθ

式中，g为重力加速度；θ为车模倾角；k为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角θ比较小的时候，输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角，再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中，由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号，它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角。

由上面的分析可得陀螺仪加速度模块在单独使用时都不能很准确地反应出车体的角度，因此需要通过上面的加速度传感器获得的角度信息对陀螺仪的数据进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。在这里我们采用的融合算法(如图5)是参考的清华大学的滤波融合算法在实际的操作中它比我们常用的卡尔曼的滤波效果要好得多，而且不需要调节那么多的参数就能够比较真实地反应出车体的角度。

该方案中采用重力加速度计和陀螺仪通过角度互补融合方式获取车模倾角和角速度，通过两个比例常数加权后得到一个车体的角度。

具体的程序算法如下：先通过陀螺仪比例值R_GYRO决定了陀螺仪速度积分得到的角度单位是度，和重力加速度传感器是一致的。这个比例可以通过公式计算出来：

其中，R_AD＝3.3V/4096表示AD转换因子(3.3V是模块的工作电压，4096是12位的AD采集精度)。R_G＝0.67·deg/sec为陀螺仪比例因子，通过陀螺仪数据手册可以查到。K＝5.1是陀螺仪信号放大倍数，根据前面电路参数可以计算出这个放大倍数。将上述个数值代入公式可以计算得到陀螺仪比例因子：R_GYRO＝0.24。由于上述存在着参数误差，上述计算得到的比例因子只是一个参考值，需要通过实验测量最终确定实际的正确比例值。其次，在车体静止的情况下分别测出陀螺仪的零点值：Z_Gyro；加速度的零点值：Z_mma(我们这里用的加速度是MMA7361模块)；以及通过车体平行水平面和垂直水平面时加速度计的差值来算出车体角度归一化到0-90度时的比值：R_mma。

得到以下陀螺仪加速度归一化公式：

N_Gyro＝(V_ENC-Z_Gyro)×R_GYRO

N_angle＝(Z_mma-V_MMA)×R_mma

由算法框图5得到最终的融合角度的计算公式：

参数说明：

V_ENC为陀螺仪的测量值

θ_angle当前融合的角度

θ_angle ^-1指前一个融合角度

V_MMA为加速度的测量值

N_Gyro是指陀螺仪归一化后的值

N_angle是指加速度归一化后的值

D_T是积分周期，对应在程序算法中就是陀螺仪加速度速度采集的时间周期

K_Zg是Z轴重力加速度补偿系数，根据实际情况的不同而设定一般在1到4之间，需要在实际的操作中慢慢调试得到最佳值。

在实际的车体中我们用到了车体的行进方向和车体俩侧方向俩个坐标轴的角度，根据车体的负重的重心位置不同，车体在不同的方向达到倾倒的临界角的大小也不尽相同，需要以实际的车体在运动过程中获得的加速度陀螺仪模块的融合数据为准。

以下是我们的车体在所有的模块都处于初始化状态下的车体各个方向的临界角：

注：方向以车体的行进方向为前

车体的矫正我们是通过控制机械臂的旋转来改变重心的位置或通过机械臂支撑地面来达到修正车体的角度的目的。通过云台搭载的摄像头反馈的图像和加速度陀螺仪模块的融合角度来反馈车体的矫正情况。

处理及控制平台对车体的控制以及对机械臂的控制都是通过LoRa传输数据到车体的MCU来实现的。车体的MCU对机械臂的控制是通过与一个32路的舵机控制器，用UART的方式实现数据传输而实现的。用固定格式传输数据实现了对各个端口的控制。机械臂在这里主要做维持车体平衡和搭载传感器近距离地获得相应的环境数据或生命体的数据。在使用机械臂的过程中我们需要测试每个舵机转向角的范围，以确定出各个舵机的最大转向角/可以给予的最大占空比，这个是十分重要的在转向角超出其最大转向会引起一系列的故障。在转向角大于最大转向/最大的占空比时以最大的角度/占空比输出。以避免故障发生。

本实用新型是基于全新的LoRa无线传输技术和TI的低功耗单片机MSP430搜救机器人，LoRa与传统的无线传输方式相比具有高稳定性，低功耗，传输距离远的特点；该机器人同时采用了5.8GHZ的无线图传模块与之搭配实现了声音影像的一对多的传输，方便了搜救人员对搜救现场的监测；该机器人还具有二次开发的功能，对于不同的环境搭配不同的传感器可以实现能源的最大化利用同时也方便了搜救人员获得自己需要数据。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统，其特征在于：包括车体部分MCU、数据处理及控制部分MCU和PC客户端，所述车体部分MCU采用MSP430单片机，所述数据处理及控制部分MCU采用ARM处理器，所述MSP430单片机的UART端口通过Lora无线传输模块与ARM处理器的UART端口实现通讯，所述MSP430单片机的PEM输出端口连接并控制云台机械臂电机，所述MSP430单片机的AD采集端口连接加速度传感器、陀螺仪和温湿度传感器，所述MSP430单片机的12C端口与GPS实现通讯，所述机器人系统通过摇杆实现控制，所述ARM处理器通过自带的AD数据采集模块来采集摇杆的控制信号，并且通过Lora无线传输模块接收MSP430单片机所采集的传感数据，并通过ARM处理器进行处理；

在所述的机器人底盘上搭建云台，所述云台上安装FPV摄像头，所述FPV摄像头连接5.8GHZ无线图传发送模块，并通过5.8GHZ无线图传发送模块将FPV摄像头采集的数据发送出去，所述5.8GHZ无线图传发送模块安装在云台上，所述PC客户端通过USB视频采集卡连接5.8GHZ无线图传接收模块，所述5.8GHZ无线图传接收模块接收5.8GHZ无线图传发送模块所发送的数据，并传送至PC客户端显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa及MSP430的影音实时传输搜救机器人系统，其特征在于，所述ARM处理器连接有LCD显示屏。