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


圖I為本發(fā)明伺服電機無線視頻控制裝置中執(zhí)行機結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明伺服電機無線視頻控制裝置中上位機結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明伺服電機無線視頻控制裝置中控制器上位機程序流程圖4為本發(fā)明伺服電機無線視頻控制裝置中執(zhí)行機程序流程圖。
具體實施例方式無線攝像頭具有紅外夜視功能，便于夜間監(jiān)控。選用I. 2GHz的無線視頻傳輸模塊，具有較好的穿透力，抗干擾能力強。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，性價比高的特點。操作人員可遠離工作現(xiàn)場，通過我們自行開發(fā)的上位機控制軟件，即可觀察工作現(xiàn)場伺服電機的實際運行視頻，又可輸入指令控制電機的啟停和運行速度。利用PC機、ARM、無線射頻、視頻獲取和伺服驅(qū)動等技術(shù)，實現(xiàn)伺服電機運動遠程無線視頻觀察和控制。下面分硬件設(shè)計，軟件設(shè)計和操作步驟，實驗效果四部分進行說明。執(zhí)行機硬件包括ARM控制器5，無線視頻發(fā)送模塊I，控制信號無線接收模塊3和直流伺服電機驅(qū)動器6，如圖I所示。其中，攝像頭模塊I采集電機運行情況的視頻信號，由無線視頻發(fā)送模塊2送出。無線數(shù)據(jù)接收模塊3接收到上位機發(fā)過來的控制命令信號，經(jīng) ARM控制器5處理后在IXD4上面顯示，并通過RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動器6，實現(xiàn)對伺服電機7的遠程控制。上位機結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，上位機硬件則包括PC機10，無線視頻接收模塊8，控制信號無線發(fā)送模塊11，AV/US B接口 9。其中，無線視頻接收模塊8把接收到的視頻信號通過AV/USB接口 9傳遞給PC機，利用Visual Basic中的視頻控件采集視頻信號并在視頻窗口顯示，實現(xiàn)對電機7的遠程監(jiān)視。在控制窗口輸入電機控制指令，再由無線發(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100萬像素IOm夜視功能攝像頭。對工作現(xiàn)場光源無特殊要求。(2)無線視頻發(fā)送/接收模塊選用I. 2GHZ頻段700mW無線視頻傳輸模塊它不會和2. 4GHz控制信號互相干擾，而且它的繞射性比較強，共15個頻道可以選擇，信噪比高達 48db?？諘绲貛ё钸h可達到2000m，可穿透一堵實體墻傳輸200m。(3)控制指令無線發(fā)送/接收模塊選用2. 4GHz頻段IOOmW功率的NRF24L01+無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，空曠地帶最多可傳輸1100m。它帶射頻開關(guān)、帶通濾波器、全雙向射頻功放功能諧波干擾小，支持125個射頻通道，功耗低。(4)直流伺服電機選用日本安川YASKAWA 1000線直流伺服電機。運動精度高。 本發(fā)明同樣支持交流伺服電機的控制。(5)直流伺服驅(qū)動器選用的XH-DCC8005直流伺服驅(qū)動器。通過對光電編碼器輸出的脈沖信號進行4倍頻，使得電機的運動控制分辨率達到O. 09°。(6)AV/USB接口 將接收到的AV視頻信號轉(zhuǎn)化為USB格式，方便PC機進行視頻采集。由于本發(fā)明只有一路視頻信號，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)開關(guān)電源此電源主要是給下位機控制器、伺服驅(qū)動器和伺服電機供電，選用朗特寧T-50D 5V3A、12V1A、24V1A三路輸出開關(guān)電源，其中5V給ARM控制器供電，24V給驅(qū)動器供電，這款產(chǎn)品額定功率為50W，如果有負載的話可以選用更大的功率的開關(guān)電源。軟件設(shè)計主要包括視頻監(jiān)控程序，控制器上位機程序和執(zhí)行機程序。視頻監(jiān)控程序主要包含兩個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,該控件是一個基于Microsoft的DirectShow技術(shù)開發(fā)的音視頻信號捕捉ActiveX控件。它基于DirectShow過濾器組件技術(shù)設(shè)計,采用完整的ActiveX封裝,可用于多種軟件開發(fā)平臺，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)動程序。因為NRF24L01的數(shù)據(jù)傳輸是以SPI方式的，所以首先必須對STM32的SPI進行配置，并編寫發(fā)送和接收函數(shù)。 NRF24L01驅(qū)動程序包括24L01的初始化、檢測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，因為它會影響到發(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)標識USART_RX_STA，其中第7位為接受完成標志位，第0_5位為接受到的數(shù)據(jù)個數(shù)，其中每次傳遞的數(shù)據(jù)以特殊字符“？ ”為結(jié)束標志，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個字節(jié)，而無線數(shù)據(jù)傳輸模塊每次最多只能發(fā)送32個字節(jié)的數(shù)據(jù)包，再者考慮到下位機對數(shù)據(jù)的處理，如果把64個數(shù)據(jù)分為2個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16位的數(shù)據(jù)TX_BUF0 3 [16]，這樣才能保證無線發(fā)射的數(shù)據(jù)不會丟失，在每次發(fā)射16位數(shù)據(jù)之后要有一定的延遲時間delay_mS(50)，此延遲的時間不能太長，否則會造成在還沒有發(fā)送下面數(shù)據(jù)的時候就被新數(shù)據(jù)覆蓋，延遲時間也太短，因為下位機發(fā)送指令到伺服電機執(zhí)行要有一定的執(zhí)行時間，經(jīng)過反復(fù)測試每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后延遲時間50ms為佳，然后將接收到的字節(jié)發(fā)回串口進行回顯，并且每次發(fā)送一個數(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線發(fā)送的狀態(tài)。如圖4所示執(zhí)行機程序流程圖，在執(zhí)行機控制器主程序中，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。因為對伺服電機的控制命令是字符格式的，而串口發(fā)送的是16進制的數(shù)據(jù)，所以在發(fā)送前必須進行ascii碼轉(zhuǎn)化。操作步驟如下
(I)硬件連線接好、通電，把無線視頻發(fā)射和接收端的頻段都設(shè)置相同。(2)打開監(jiān)控應(yīng)用程序，選擇“源對話框”選擇視頻信號采集的通道，此時可以看到視頻窗口有電機的靜態(tài)視頻。(3)在“com 口 ”選擇ARM控制器和PC機連接的通道，例如，coml、com2……，點擊打開按鈕，指示燈由紅變綠，說明串口已正確打開，如果沒有打開串口就進行操作會彈出一個對話框提示用戶打開串口。(4)選擇驅(qū)動器的工作模式為“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“參數(shù)確認”，此時控制命令就由PC機串口發(fā)送到ARM控制器，然后由無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)射出去。此時，不僅可以在視頻窗口看到電機運行，而且在控制窗口可以看到已發(fā)送的命令，同時在下位機ARM控制器的LCD屏上面可以看到已接收到的命令及其總個數(shù)。(5)在“發(fā)送區(qū)”輸入“#1 SV :100, SOPS :1000 ； ”此時可以看到電機以IOOrpm的速度轉(zhuǎn)過90°后停止，由于本系統(tǒng)使用的伺服電機為1000線，驅(qū)動器最多可以4倍頻，所本系統(tǒng)的運動控制精度為O. 09°，而且經(jīng)過反復(fù)測試電機在空載的情況下，當P、I、D分別為 100、5、1000的時候運動效果最好。(6)點擊“復(fù)位”按鈕， 電機則把當前絕對位置設(shè)置為0，“急?！卑粹o可以使電機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，否則會對驅(qū)動器和電機造成損壞。在通信距離為IOOm中間有一堵實體墻，周圍有無線網(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，可以穩(wěn)定地發(fā)射控制命令，伺服電機能夠根據(jù)接收到的控制命令正常運轉(zhuǎn)，電機的運動精度為O. 09°。如果是隔3堵墻，20m的傳輸距離，控制信號發(fā)送接收正常，但是視頻信號有點波動，原因估計是周圍無線網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)干擾有點大，但是4堵墻間隔25m的時候，發(fā)送的控制命令就會丟失數(shù)據(jù)，由此看來，障礙物對無線數(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
1.一種伺服電機無線視頻控制裝置，其特征在于，包括執(zhí)行機和上位機，執(zhí)行機包括 ARM控制器，無線視頻發(fā)送模塊，控制信號無線接收模塊和直流伺服電機驅(qū)動器，上位機包括PC機，無線視頻接收模塊，控制信號無線發(fā)送模塊，AV/USB接口，攝像頭模塊采集電機運行情況的視頻信號，由無線視頻發(fā)送模塊送出，上位機中的無線視頻接收模塊接收視頻信號通過AV/USB接口傳遞給PC機，PC機采集視頻信號并在視頻窗口顯示，PC機輸出電機控制指令，再由無線發(fā)送模塊發(fā)射，執(zhí)行機的控制信號無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RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動電機運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述伺服電機無線視頻控制裝置，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；無線視頻發(fā)送/接收模塊選用I. 2GHZ頻段700mW無線視頻傳輸模塊；控制指令無線發(fā)送/接收模塊選用2. 4GHz頻段IOOmW功率的NRF24L01+無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述伺服電機無線視頻控制裝置，其特征在于，所述AV/USB接口將接收到的AV視頻信號轉(zhuǎn)化為USB格式，選用型號EasyCAPOOI。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種伺服電機無線視頻控制裝置，攝像頭模塊采集電機運行情況的視頻信號，由無線視頻發(fā)送模塊送出，上位機中的無線視頻接收模塊接收視頻信號通過AV/USB接口傳遞給PC機，PC機采集視頻信號并在視頻窗口顯示，PC機輸出電機控制指令，再由無線發(fā)送模塊發(fā)射，執(zhí)行機的控制信號無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RS-232串口發(fā)送到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動電機運行。實現(xiàn)了有障礙100米無線視頻遙控伺服電機的功能。操作人員可遠離工作現(xiàn)場，通過我們自行開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件，即可觀察工作現(xiàn)場伺服電機的實際運行視頻，又可輸入指令控制電機的啟停和運行速度。
文檔編號G08C17/02GK102692882SQ201210207210
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者任強, 周升良, 孫玉國 申請人:上海理工大學(xué)