專(zhuān)利名稱：伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，特別涉及一種伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置。
背景技術(shù)：
伺服電機(jī)具有精度高、噪聲低、高速性能好的特點(diǎn)，在精密醫(yī)療器械，硅晶片傳輸機(jī)器人和激光加工等精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在上述場(chǎng)合下，為了確保精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的精度要求，一般不希望操作人員頻繁地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電機(jī)的啟停，轉(zhuǎn)速調(diào)整等操作，為此有必要研制一種針對(duì)伺服電機(jī)的無(wú)線視頻監(jiān)控方法和裝置
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)高精度伺服電機(jī)需要無(wú)線監(jiān)控更發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題，提出了一種伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，利用PC機(jī)、ARM、無(wú)線射頻、視頻獲取和伺服驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有障礙100米無(wú)線視頻遙控伺服電機(jī)的功能。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，包括執(zhí)行機(jī)和上位機(jī)，執(zhí)行機(jī)包括ARM控制器，無(wú)線視頻發(fā)送模塊，控制信號(hào)無(wú)線接收模塊和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 上位機(jī)包括PC機(jī)，無(wú)線視頻接收模塊，控制信號(hào)無(wú)線發(fā)送模塊，AV/USB接口，攝像頭模塊采集電機(jī)運(yùn)行情況的視頻信號(hào)，由無(wú)線視頻發(fā)送模塊送出，上位機(jī)中的無(wú)線視頻接收模塊接收視頻信號(hào)通過(guò)AV/USB接口傳遞給PC機(jī)，PC機(jī)采集視頻信號(hào)并在視頻窗口顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)視遠(yuǎn)程電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，PC機(jī)輸出電機(jī)控制指令，再由無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)射，執(zhí)行機(jī)的控制信號(hào)無(wú)線接收模塊接收控制指令，控制指令經(jīng)ARM控制器處理后在IXD上面顯示，并通過(guò)RS-232 串口發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。所述攝像頭模塊中攝像頭選用夜視功能的攝像頭；無(wú)線視頻發(fā)送/接收模塊選用I. 2GHZ頻段700mW無(wú)線視頻傳輸模塊；控制指令無(wú)線發(fā)送/接收模塊選用2. 4GHz頻段 IOOmff功率的NRF24L01+無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。所述AV/USB接口將接收到的AV視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB格式，選用型號(hào)EasyCAPOOI。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，實(shí)現(xiàn)了有障礙100 米無(wú)線視頻遙控伺服電機(jī)的功能。操作人員可遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)我們自行開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，即可觀察工作現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行視頻，又可輸入指令控制電機(jī)的啟停和運(yùn)行速度。


圖I為本發(fā)明伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置中執(zhí)行機(jī)結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置中上位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置中控制器上位機(jī)程序流程圖4為本發(fā)明伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置中執(zhí)行機(jī)程序流程圖。
具體實(shí)施例方式無(wú)線攝像頭具有紅外夜視功能，便于夜間監(jiān)控。選用I. 2GHz的無(wú)線視頻傳輸模塊，具有較好的穿透力，抗干擾能力強(qiáng)。選用ARM公司新一代32位CorteX-M3處理器作為控制器，具有處理速度快，性價(jià)比高的特點(diǎn)。操作人員可遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)我們自行開(kāi)發(fā)的上位機(jī)控制軟件，即可觀察工作現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行視頻，又可輸入指令控制電機(jī)的啟停和運(yùn)行速度。利用PC機(jī)、ARM、無(wú)線射頻、視頻獲取和伺服驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程無(wú)線視頻觀察和控制。下面分硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)和操作步驟，實(shí)驗(yàn)效果四部分進(jìn)行說(shuō)明。執(zhí)行機(jī)硬件包括ARM控制器5，無(wú)線視頻發(fā)送模塊I，控制信號(hào)無(wú)線接收模塊3和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6，如圖I所示。其中，攝像頭模塊I采集電機(jī)運(yùn)行情況的視頻信號(hào)，由無(wú)線視頻發(fā)送模塊2送出。無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊3接收到上位機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的控制命令信號(hào)，經(jīng) ARM控制器5處理后在IXD4上面顯示，并通過(guò)RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器6，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)7的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，上位機(jī)硬件則包括PC機(jī)10，無(wú)線視頻接收模塊8，控制信號(hào)無(wú)線發(fā)送模塊11，AV/US B接口 9。其中，無(wú)線視頻接收模塊8把接收到的視頻信號(hào)通過(guò)AV/USB接口 9傳遞給PC機(jī)，利用Visual Basic中的視頻控件采集視頻信號(hào)并在視頻窗口顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)7的遠(yuǎn)程監(jiān)視。在控制窗口輸入電機(jī)控制指令，再由無(wú)線發(fā)送模塊11 發(fā)射出去。所用到的硬件選型原則概述如下
(I)攝像頭選用100萬(wàn)像素IOm夜視功能攝像頭。對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)光源無(wú)特殊要求。(2)無(wú)線視頻發(fā)送/接收模塊選用I. 2GHZ頻段700mW無(wú)線視頻傳輸模塊它不會(huì)和2. 4GHz控制信號(hào)互相干擾，而且它的繞射性比較強(qiáng)，共15個(gè)頻道可以選擇，信噪比高達(dá) 48db?？諘绲貛ё钸h(yuǎn)可達(dá)到2000m，可穿透一堵實(shí)體墻傳輸200m。(3)控制指令無(wú)線發(fā)送/接收模塊選用2. 4GHz頻段IOOmW功率的NRF24L01+無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，空曠地帶最多可傳輸1100m。它帶射頻開(kāi)關(guān)、帶通濾波器、全雙向射頻功放功能諧波干擾小，支持125個(gè)射頻通道，功耗低。(4)直流伺服電機(jī)選用日本安川YASKAWA 1000線直流伺服電機(jī)。運(yùn)動(dòng)精度高。 本發(fā)明同樣支持交流伺服電機(jī)的控制。(5)直流伺服驅(qū)動(dòng)器選用的XH-DCC8005直流伺服驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行4倍頻，使得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制分辨率達(dá)到O. 09°。(6)AV/USB接口 將接收到的AV視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB格式，方便PC機(jī)進(jìn)行視頻采集。由于本發(fā)明只有一路視頻信號(hào)，所以選用穩(wěn)定性較高采集速度較快的EasyCAPOOl，最大顯示和錄制速度為PAL制式25幀，NTSC制式30幀，滿足使用要求。(7)開(kāi)關(guān)電源此電源主要是給下位機(jī)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)供電，選用朗特寧T-50D 5V3A、12V1A、24V1A三路輸出開(kāi)關(guān)電源，其中5V給ARM控制器供電，24V給驅(qū)動(dòng)器供電，這款產(chǎn)品額定功率為50W，如果有負(fù)載的話可以選用更大的功率的開(kāi)關(guān)電源。軟件設(shè)計(jì)主要包括視頻監(jiān)控程序，控制器上位機(jī)程序和執(zhí)行機(jī)程序。視頻監(jiān)控程序主要包含兩個(gè)部分視頻顯示部分和為串口通信部分。第一部分采用ezdivcap控件,該控件是一個(gè)基于Microsoft的DirectShow技術(shù)開(kāi)發(fā)的音視頻信號(hào)捕捉ActiveX控件。它基于DirectShow過(guò)濾器組件技術(shù)設(shè)計(jì),采用完整的ActiveX封裝,可用于多種軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，全面支持1394、USB熱拔插數(shù)字視頻捕捉設(shè)備。第二部分采用MSComm 串口通信控件?？刂破魃衔粰C(jī)流程圖如圖3所示，主要包括各應(yīng)用模塊初始化，串口中斷等程序模塊。其中最重要的是串口中斷程序、SPI函數(shù)、NRF24L01驅(qū)動(dòng)程序。因?yàn)镹RF24L01的數(shù)據(jù)傳輸是以SPI方式的，所以首先必須對(duì)STM32的SPI進(jìn)行配置，并編寫(xiě)發(fā)送和接收函數(shù)。 NRF24L01驅(qū)動(dòng)程序包括24L01的初始化、檢測(cè)24L01是否存在、發(fā)送接收模式配置、數(shù)據(jù)包大小、發(fā)送和接受地址、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收函數(shù)等。其中比較重要的就是發(fā)送和接收地址的定義，因?yàn)樗鼤?huì)影響到發(fā)送和接收是否成功
const u8 TX_ADDRESS [TX_ADR_WIDTH] = {0x34, 0x43, 0x10, 0x10, 0x01} ; //發(fā)送地址 const u8 RX_ADDRESS [RX_ADR_WIDTH] = {0x34, 0x43, 0x10, 0x10, 0x01} ; //接收地址串口中斷程序首先需要定義一個(gè)64字節(jié)的接收緩沖數(shù)組USART_RX_BUF[64]和接受狀態(tài)協(xié)議——接收狀態(tài)標(biāo)識(shí)USART_RX_STA，其中第7位為接受完成標(biāo)志位，第0_5位為接受到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，其中每次傳遞的數(shù)據(jù)以特殊字符“？ ”為結(jié)束標(biāo)志，每條指令以字符“；”為結(jié)束符。每次接收到的數(shù)據(jù)最大緩沖為64個(gè)字節(jié)，而無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊每次最多只能發(fā)送32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，再者考慮到下位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，如果把64個(gè)數(shù)據(jù)分為2個(gè)32位數(shù)據(jù)，就有可能使數(shù)據(jù)溢出，所以在主程序發(fā)送之前要把64字節(jié)的數(shù)據(jù)USART_RX_BUF[64] 分 割為4個(gè)16位的數(shù)據(jù)TX_BUF0 3 [16]，這樣才能保證無(wú)線發(fā)射的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，在每次發(fā)射16位數(shù)據(jù)之后要有一定的延遲時(shí)間delay_mS(50)，此延遲的時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則會(huì)造成在還沒(méi)有發(fā)送下面數(shù)據(jù)的時(shí)候就被新數(shù)據(jù)覆蓋，延遲時(shí)間也太短，因?yàn)橄挛粰C(jī)發(fā)送指令到伺服電機(jī)執(zhí)行要有一定的執(zhí)行時(shí)間，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后延遲時(shí)間50ms為佳，然后將接收到的字節(jié)發(fā)回串口進(jìn)行回顯，并且每次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包LED燈閃爍一下，這樣可以指示操作是否成功以及顯示無(wú)線發(fā)送的狀態(tài)。如圖4所示執(zhí)行機(jī)程序流程圖，在執(zhí)行機(jī)控制器主程序中，主要包括Cortex_M3 系統(tǒng)初始化、各應(yīng)用模塊初始化、LCD顯示和串口字符發(fā)送等程序模塊。因?yàn)閷?duì)伺服電機(jī)的控制命令是字符格式的，而串口發(fā)送的是16進(jìn)制的數(shù)據(jù)，所以在發(fā)送前必須進(jìn)行ascii碼轉(zhuǎn)化。操作步驟如下
(I)硬件連線接好、通電，把無(wú)線視頻發(fā)射和接收端的頻段都設(shè)置相同。(2)打開(kāi)監(jiān)控應(yīng)用程序，選擇“源對(duì)話框”選擇視頻信號(hào)采集的通道，此時(shí)可以看到視頻窗口有電機(jī)的靜態(tài)視頻。(3)在“com 口 ”選擇ARM控制器和PC機(jī)連接的通道，例如，coml、com2……，點(diǎn)擊打開(kāi)按鈕，指示燈由紅變綠，說(shuō)明串口已正確打開(kāi)，如果沒(méi)有打開(kāi)串口就進(jìn)行操作會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框提示用戶打開(kāi)串口。(4)選擇驅(qū)動(dòng)器的工作模式為“速度控制模式”，分別輸入PID、加速度、減速比、速度和位置參數(shù)，然后電機(jī)“參數(shù)確認(rèn)”，此時(shí)控制命令就由PC機(jī)串口發(fā)送到ARM控制器，然后由無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)射出去。此時(shí)，不僅可以在視頻窗口看到電機(jī)運(yùn)行，而且在控制窗口可以看到已發(fā)送的命令，同時(shí)在下位機(jī)ARM控制器的LCD屏上面可以看到已接收到的命令及其總個(gè)數(shù)。(5)在“發(fā)送區(qū)”輸入“#1 SV :100, SOPS :1000 ； ”此時(shí)可以看到電機(jī)以IOOrpm的速度轉(zhuǎn)過(guò)90°后停止，由于本系統(tǒng)使用的伺服電機(jī)為1000線，驅(qū)動(dòng)器最多可以4倍頻，所本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制精度為O. 09°，而且經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試電機(jī)在空載的情況下，當(dāng)P、I、D分別為 100、5、1000的時(shí)候運(yùn)動(dòng)效果最好。(6)點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕， 電機(jī)則把當(dāng)前絕對(duì)位置設(shè)置為0，“急?！卑粹o可以使電機(jī)不管在什么情況下都能迅速停止，但是此按鈕不能經(jīng)常使用，否則會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)造成損壞。在通信距離為IOOm中間有一堵實(shí)體墻，周?chē)袩o(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾等情況下，本發(fā)明的穩(wěn)定性和抗干擾性良好，可以接收到清晰的視頻信號(hào)，可以穩(wěn)定地發(fā)射控制命令，伺服電機(jī)能夠根據(jù)接收到的控制命令正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度為O. 09°。如果是隔3堵墻，20m的傳輸距離，控制信號(hào)發(fā)送接收正常，但是視頻信號(hào)有點(diǎn)波動(dòng)，原因估計(jì)是周?chē)鸁o(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)干擾有點(diǎn)大，但是4堵墻間隔25m的時(shí)候，發(fā)送的控制命令就會(huì)丟失數(shù)據(jù)，由此看來(lái)，障礙物對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戇€是比較大的。但是一般在工業(yè)應(yīng)用控制室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般只間隔一堵墻，而且IOOm的傳輸距離也基本能夠滿足要求。
權(quán)利要求
1.一種伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，其特征在于，包括執(zhí)行機(jī)和上位機(jī)，執(zhí)行機(jī)包括 ARM控制器，無(wú)線視頻發(fā)送模塊，控制信號(hào)無(wú)線接收模塊和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，上位機(jī)包括PC機(jī)，無(wú)線視頻接收模塊，控制信號(hào)無(wú)線發(fā)送模塊，AV/USB接口，攝像頭模塊采集電機(jī)運(yùn)行情況的視頻信號(hào)，由無(wú)線視頻發(fā)送模塊送出，上位機(jī)中的無(wú)線視頻接收模塊接收視頻信號(hào)通過(guò)AV/USB接口傳遞給PC機(jī)，PC機(jī)采集視頻信號(hào)并在視頻窗口顯示，PC機(jī)輸出電機(jī)控制指令，再由無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)射，執(zhí)行機(jī)的控制信號(hào)無(wú)線接收模塊接收控制指令，控制指令經(jīng)ARM控制器處理后在IXD上面顯示，并通過(guò)RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，其特征在于，所述攝像頭模塊中攝像頭選用夜視功能的攝像頭；無(wú)線視頻發(fā)送/接收模塊選用I. 2GHZ頻段700mW無(wú)線視頻傳輸模塊；控制指令無(wú)線發(fā)送/接收模塊選用2. 4GHz頻段IOOmW功率的NRF24L01+無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，其特征在于，所述AV/USB接口將接收到的AV視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB格式，選用型號(hào)EasyCAPOOI。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種伺服電機(jī)無(wú)線視頻控制裝置，攝像頭模塊采集電機(jī)運(yùn)行情況的視頻信號(hào)，由無(wú)線視頻發(fā)送模塊送出，上位機(jī)中的無(wú)線視頻接收模塊接收視頻信號(hào)通過(guò)AV/USB接口傳遞給PC機(jī)，PC機(jī)采集視頻信號(hào)并在視頻窗口顯示，PC機(jī)輸出電機(jī)控制指令，再由無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)射，執(zhí)行機(jī)的控制信號(hào)無(wú)線接收模塊接收控制指令，控制指令經(jīng)ARM控制器處理后在LCD上面顯示，并通過(guò)RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了有障礙100米無(wú)線視頻遙控伺服電機(jī)的功能。操作人員可遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)我們自行開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，即可觀察工作現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行視頻，又可輸入指令控制電機(jī)的啟停和運(yùn)行速度。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102692882SQ201210207210
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者任強(qiáng), 周升良, 孫玉國(guó) 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)