引言

目前，便攜式移動機器人全自主控制方式尚不成熟，其監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用人在環(huán)半自主控制方式設計。為滿足攜帶、系統(tǒng)小型化、嵌進式的結構特點，故設計便攜式移動機器人手持監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于履帶結構便攜式移動機器人實驗平臺。

功能設計

手持監(jiān)控系統(tǒng)對便攜式移動機器人起到監(jiān)視與控制的全局性作用。手持監(jiān)控系統(tǒng)可劃分為視頻圖像監(jiān)視模塊、狀態(tài)信息監(jiān)測模塊、遠控指令模塊、無線通訊模塊、數(shù)字與圖交互模塊、全局路徑規(guī)劃模塊六大功能模塊（見圖1）。


圖1 手持監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

視頻圖像監(jiān)視模塊對便攜式移動機器人所處環(huán)境進行視頻監(jiān)視；狀態(tài)信息監(jiān)測模塊對機器人自身狀態(tài)信息的監(jiān)測；遠控指令模塊實現(xiàn)基本的運動指令編碼以及發(fā)送；無線通訊模塊實現(xiàn)運動指令、狀態(tài)信息、視頻信號等數(shù)據(jù)的無線傳輸；數(shù)字輿圖交互模塊實現(xiàn)環(huán)境地理信息的數(shù)字化顯示及人機交互功能；全局路徑規(guī)劃模塊實現(xiàn)點到點的最優(yōu)路徑搜索功能。

硬件系統(tǒng)

手持監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)可劃分為若干模塊，各個模塊實現(xiàn)自身相對獨立的功能。

硬件結構與接口

手持監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)采用基于嵌進式系統(tǒng)的PCI總線的PC/104plus總線結構，分為無線通訊、嵌進式圖像采集、中心處理、遠控器、液晶顯示等五大模塊。無線通訊模塊又劃分為無線數(shù)據(jù)傳輸和無線視頻傳輸模塊。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)運動指令、狀態(tài)信息等窄帶數(shù)據(jù)無線傳輸；無線視頻傳輸模塊實現(xiàn)視頻圖像信號等寬帶數(shù)據(jù)無線傳輸。

硬件系統(tǒng)各模塊通過接口實現(xiàn)信息交換與數(shù)據(jù)共享。中心處理模塊通過PC/104plus總線與嵌進式圖像采集模塊接口，實現(xiàn)模塊之間視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸。中心處理模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及遠控器模塊通過串口連接。中心處理模塊通過TTL接口與液晶顯示模塊連接。嵌進式圖像采集模塊與無線視頻傳輸模塊通過RCA接口實現(xiàn)復合視頻信號的傳輸（見圖2）。


圖2 手持監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構與接口圖

硬件模塊實現(xiàn)

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用微功率無線數(shù)據(jù)傳送單元實現(xiàn)。嵌進式圖像采集模塊采用PC/104plus總線結構的嵌進式圖像采集卡實現(xiàn)。中心處理模塊采用PC/104plus總線結構的單板機實現(xiàn)。遠控器模塊通過自行設計電路板實現(xiàn)按鍵掃描、指令編碼以及串口發(fā)送等功能。液晶顯示模塊采用小型彩色液晶屏實現(xiàn)。以上各硬件模塊實現(xiàn)符合手持設備小型化、便攜式的硬件要求。

軟件系統(tǒng)

手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)選用Windows CE（WinCE）作為嵌進式操縱系統(tǒng)平臺，監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括：操縱系統(tǒng)定制、設備驅動程序開發(fā)、應用程序。應用程序又分為：鍵盤掃描模塊、串口通訊模塊、視頻處理模塊、數(shù)字輿圖模塊、路徑規(guī)劃模塊五大模塊（見圖3）。


圖3 手持監(jiān)控系統(tǒng)軟件結構圖

操縱系統(tǒng)定制

操縱系統(tǒng)定制主要根據(jù)系統(tǒng)需要建立操縱系統(tǒng)平臺并對其進行相應的配置。通過平臺裁剪工具Platform Builder（簡稱PB）完成。

設備驅動程序開發(fā)

WinCE的驅動程序分為：本機設備驅動程序和流接口驅動程序［5］。本機設備是指集成到目標平臺的設備，其驅動程序由原設備制造商（OEM）提供。流接口驅動程序是指連接到WinCE平臺的外部設備驅動程序，由用戶自行開發(fā)。流接口驅動程序把外部設備看作文件系統(tǒng)的特殊文件，通過文件讀取函數(shù)間接地訪問外部設備。

嵌進式圖像采集卡驅動程序分為三部分：

（1）內核部分

實現(xiàn)中斷服務例程（ISR）。內核函數(shù)實現(xiàn)了物理中斷號與邏輯中斷標識之間的映射關系，并調用中斷服務例程，中斷服務例程在中斷發(fā)生后向內核返回中斷邏輯標識。

（2）驅動程序部分

實現(xiàn)WinCE流接口驅動模型所需要的文件操縱接口函數(shù)，包括：采集卡初始化、數(shù)據(jù)讀取和采集卡句柄封閉。

（3）應用程序部分

通過調用設備注冊函數(shù)將嵌進式圖像采集卡中斷驅動程序加載到系統(tǒng)內存，并根據(jù)采集卡初始化參數(shù)設置修改WinCE系統(tǒng)注冊表文件。

應用程序設計

鍵盤掃描模塊及串口通訊模塊單片機程序在單片機集成開發(fā)環(huán)境uVision2下用C語言開發(fā)外，其余模塊均在EVC（Windows CE Embedded VisualC++）下開發(fā)。[!--empirenews.page--]

（1）鍵盤掃描模塊

鍵盤掃描模塊主要實現(xiàn)單片機對薄膜鍵盤的按鍵識別及鍵值顯示功能。薄膜鍵盤屬于行列式非編碼鍵盤，按鍵的識別通常采用逐行掃描查詢法實現(xiàn)。程序采用軟件延時的方法處理抖動。鍵值顯示則通過單片機對液晶屏串行數(shù)據(jù)口編程實現(xiàn)。

（2）串口通訊模塊

串口通訊模塊主要實現(xiàn)單板機與單片機之間的串行數(shù)據(jù)通訊功能。該模塊包括單板機串口通訊程序、單片機串口通訊程序、串口通訊協(xié)議三部分。

①單板機串口通訊程序。由于WinCE不支持串口通訊控件的使用，所以EVC下的單板機串口通訊程序開發(fā)只能通過調用文件操縱函數(shù)實現(xiàn)。

②單片機串口通訊程序。單片機串口通訊程序設計必須根據(jù)通訊雙方約定設置串口工作方式及串口通訊波特率。

③串口通訊協(xié)議。串口數(shù)據(jù)包括：雙向通訊測試數(shù)據(jù)、下行指令數(shù)據(jù)、上行傳感數(shù)據(jù)，而傳感數(shù)據(jù)又劃分為：速度、加速度、位置、傾角等狀態(tài)信息。為了在串口通訊中正確分離和識別各種數(shù)據(jù)，通過對各種數(shù)據(jù)添加相應標志字節(jié)的方法編制串口通訊協(xié)議。

（3）視頻處理模塊

視頻處理模塊通過在EVC下調用嵌進式圖像采集卡驅動函數(shù)實現(xiàn)視頻顯示與視頻控制功能。視頻顯示作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口嵌進到軟件系統(tǒng)用戶界面。視頻顯示主要實現(xiàn)便攜式移動機器人平臺所處環(huán)境信息的實時視頻顯示與更新。視頻控制主要實現(xiàn)對視頻采集過程的控制，其中包括：視頻采集窗口尺寸設置、視頻源制式設置、視頻數(shù)據(jù)格式選擇及視頻數(shù)據(jù)存儲等。

WinCE不支持任何視頻加速驅動程序和底層函數(shù)，所以無法直接調用DirectX函數(shù)，則WinCE設備上動態(tài)視頻的顯示與回放，必須開發(fā)新的設備無關位圖（DIB）快速顯示函數(shù)。采用從DGdiObject類派生的方法，使用CreateDIBSection函數(shù)創(chuàng)建DIB位圖，可以直接使用圖形設備接口（GDI）函數(shù)來操縱DIB位圖，以有效進步位圖顯示速度。

（4）數(shù)字輿圖模塊

數(shù)字輿圖是地理信息系統(tǒng)（GIS）中的概念。數(shù)字輿圖模塊實現(xiàn)便攜式移動機器人平臺所處地理環(huán)境信息的數(shù)字化顯示，并在此基礎上實現(xiàn)對數(shù)字輿圖放大、縮小、周游、查找等交互操縱功能。

數(shù)字輿圖模塊通過在EVC下嵌進MapXMobile組件實現(xiàn)，并終極作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口集成到軟件系統(tǒng)用戶界面。MapX Mobile是基于對象鏈接嵌進（OLE）技術的ActiveX控件，在EVC下設置該控件的屬性、方法及響應事件即可實現(xiàn)輿圖顯示與操縱功能。

應用程序通過MapX Mobile組件實現(xiàn)輿圖顯示與操縱，同時治理輿圖數(shù)據(jù)文件。并可以單獨在嵌進式設備上運行，也能和WinCE操縱系統(tǒng)兼容。MapX Mobile答應用戶把輿圖數(shù)據(jù)帶到自身所在的任何位置，實現(xiàn)了移動的GIS組件。

（5）路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊實現(xiàn)基于數(shù)字輿圖的點到點全局路徑規(guī)劃功能。該模塊是在數(shù)字輿圖模塊查找交互操縱功能的基礎上運用迪杰斯特拉（Dijkstra）算法實現(xiàn)最優(yōu)路徑搜索。操縱者在數(shù)字輿圖上選取起始點和目標點，程序通過Dijkstra算法搜索得出兩點之間可以通行的最優(yōu)路徑，并在數(shù)字輿圖上標識該最優(yōu)路徑。

Dijkstra算法是解決最短路徑題目的理論基礎。該算法適合于計算帶權有向圖中兩節(jié)點之間的最短路徑。將數(shù)字輿圖上的道路和地點抽象為有向圖的邊與節(jié)點，道路的長度作為有向圖邊的權值，從而實現(xiàn)數(shù)字輿圖到帶權有向圖的抽象（見圖4）。


圖4 數(shù)字地圖抽象的帶權有向圖

Dijkstra算法步驟：

Step1：設集合S存放已求出最短路徑的終節(jié)點，初始狀態(tài)時，S集合只有源節(jié)點v0，即S＝｛v0｝。

Step2：令k＝1，對于節(jié)點vk，計算v0到vk的間隔

代價函數(shù)：

Length（k）是v0和vk之間可達連接權值之和，假如v0和vk之間不可達，則間隔代價函數(shù)值無窮大。

Step3：取dist［k］值最小的節(jié)點序列保存在path［k］中，并添加vk到集合S中，即S＝｛v0，vk｝。且令k＝k+1.

Step4：若vk即為目標節(jié)點，則算法結束；否則，跳轉至Step2.

則path［k］中即為源節(jié)點與目標節(jié)之間的最短路徑序列，最小dist［k］值即為源節(jié)點與目標節(jié)點之間的最短路徑間隔。

設計實例

該手持監(jiān)控系統(tǒng)已應用到履帶結構便攜式移動機器人實驗平臺。在室外實驗場地測試取得較好的效果，測試過程中軟件系統(tǒng)用戶界面如圖5.用戶界面分為三部分：機器人自身狀態(tài)信息顯示、視頻圖像數(shù)據(jù)顯示、數(shù)字輿圖顯示。


圖5 手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)用戶界面

結論

便攜式移動機器人手持監(jiān)控系統(tǒng)在履帶結構便攜式移動機器人實驗平臺上通過測試。嵌進式硬件結構和嵌進式操縱系統(tǒng)的引進符合移動智能終端設備體積小、重量輕、實時性強、可靠性高的設計要求。

隨著高技術武器裝備研究的發(fā)展，便攜式移動機器人將越來越多地應用在軍事領域。手持監(jiān)控系統(tǒng)作為便攜式移動機器人的子系統(tǒng)，逐步成為軍用機器人研究領域的重要課題之一。