機器人與人工智能應用-ROV水下航行器

一、整機組成及功能

公司ROV水下航行器主要由ARM主控板、驅動及電源變換電路板、船倉及外殼、蓄電池、螺旋槳推進器、無刷電機驅動板、三軸陀螺儀模塊、溫度深度等傳感器、攝像頭、路由器及水上WIFI通訊模塊組成。ROV水下航行器可通過手機APP控制在水下航行，航行器的前置攝像頭可通過WIFI模塊向手機傳輸視頻數據，顯示水下拍攝圖像。

（一）整機組成

系統構成圖

（二）整機功能

1. 水下航行及平衡控制

（1）水下可進行前進，后退，左移，右移，上浮，下潛，順時針旋轉，逆時針旋轉，等運動控制。

（2）下潛深度：20米，提供深度數據

（3）速度6檔可調，最低速度0.2米/秒，最高速度3米/秒。

（4）姿態感知：實時提供潛航器歐拉角、加速度和磁力計數據；

（5）偏航角<3°

（6）運動中橫滾角<3°

（7）運動中俯仰角<3°

2.水下拍攝及視頻傳輸：

（1）500萬像素攝像頭，自動對焦，分辨率 1280 * 720， 最大幀率30fps;

（2）水下照明方式：輔助照明，2個3000lumens燈泡如亮度不夠可增加燈泡數量

（3）水下顯示圖像清晰。

（4）視頻傳輸無延時，沒有卡頓，顯示流暢。

（5）視頻顯示分辨率，PC端1280 * 720，手機端320 *240

3.PC、手機端顯示內容

（1）水下拍攝視頻

（2）當前區域地圖及ROV位置顯示

（3）當前ROV姿態及深度

（4）ROV控制信息，包括控制方向，航行速度

（5）ROV電池余量百分比

二、技術實現

（一）各功能實現方法

（1）水下拍攝：攝像頭與ARM通過DCMI總線連接，主控板采用KEIL編程后可以驅動攝像頭工作；

（2）水下航行：航行器內ARM主控板接收APP的控制指令，主控板通過網絡接口芯片直接接受WIFI信息，主控板發送指令給飛控模塊，飛控模塊發送PWM波控制推進器航行。航行器前進、后退、左轉、右轉通過控制航行器周圍四個螺旋槳推進器正轉或反轉實現。航行器側傾姿態調整及上浮下潛推進由航行器中間的兩個螺旋槳推進器正轉或反轉實現。

（3）遠程通訊：ARM主控板與路由器模塊通過以太網口連接，航行器內路由器模塊與水上通訊模塊內WIFI模塊通過100M+電纜連接，水上通訊模塊內部具備WIFI模塊，通過無線與手機或PC通訊，傳輸信息。

（二）硬件設計

1. 自制ARM主控板

（1）采用ARM Cortex-M4 CPU；

（2）CPU內部含有292K SRAM，1MB FLASH存儲容量；

（3）外部擴展4MB SDRAM和256MB FLASH；

（4）CPU含有168個I/O接口，12個定時器，一個8到14bit的攝像頭并行接口和TCP/IP；

（5）CPU還帶有8個定時器、若干PWM輸出接口、USB接口、I2C、SPI、若干UART接口等等；

2. 攝像頭：

(1) 采用1.4μm*1.4μm像素大小；

(2) 自動曝光（AEC）、自動白平衡（AWB）、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準（ABLC）和自動帶通濾波器（ABF）；

(3) 支持圖像質量控制，色飽和度調節、色調調節、gamma校準、銳度和鏡頭校準等；標準的SCCB接口，兼容IIC接口，支持RawRGB、RGB(RGB565/RGB555/RGB444)、CCIR656、YUV(422/420)、YCbCr（422）和壓縮圖像（JPEG）輸出格式， 支持QSXGA（500W）圖像尺寸輸出，以及按比例縮小到其他任何尺寸；

(4) 支持閃光燈；

(5) 支持圖像縮放、平移和窗口設置；支持圖像壓縮，即可輸出JPEG圖像數據；

(6) 支持數字視頻接口（DVP）和MIPI接口；支持自動對焦；

(7) 自帶嵌入式微處理器。

3. 壓力傳感器

(1) 分辨率：0.2mbar；

(2) 轉換周期：0.5ms；

(3) 供電電壓：1.5~3.6V，電流0.6uA；

(4) 工作壓力單位0~30bar，使用環境溫度范圍-20~+85℃；I2C接口；

4. 九軸陀螺儀芯片（主控板集成）：

(1) 以數字形式輸出9軸旋轉矩陣、四元數(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數據（需DMP支持）

(2) 集成16位分辨率，量程為：±250、±500、±1000°與±2000°/sec 的3軸角速度傳感器(陀螺儀)

(3) 集成16位分辨率，量程為：±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速度傳感器

(4) 集成16位分辨率，量程為：±4800uT的磁場傳感器（磁力計）

(5) 自帶數字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少MCU復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷

(6) 自帶一個數字溫度傳感器

(7) 可編程數字濾波器

(8) 支持SPI接口，通信速度高達20Mhz

(9) 自帶512字節FIFO緩沖區

(10) 400Khz的IIC通信接口

5. 螺旋槳推進器及電調

電調信號發生器發送控制命令到驅動器，驅動器根據收到的參數控制推進器的轉速和轉向。

(1) PWM波頻率：50Hz（20ms）

(2) 中點停轉：占空比7.5%，高電平脈寬1500us

(3) 反轉：高電平脈寬1100 - 1500us

(4) 正轉：高電平脈寬1500 - 1900us

(5) 停轉區間：高電平脈寬1475us - 1525us

6．蓄電池及電源管理系統

采用12V/40Ah鋰電池做為航行器蓄電池。

7. 推進器

（三）ARM主控板軟件結構和軟件流程

ARM主控板軟件的重點內容之一就控制板與服務器之間的網絡通訊。我們采用LWIP開源代碼實現網絡通訊，將UCOSII開源代碼、LWIP開源代碼、MPU9250開源代碼、OV5460開源代碼作移植和融合成為一個完整的系統軟件，并增加控制板外部接口、定時器、PWM、串行通訊、SDRAM等內部資源初始化軟件，以及潛航器自平衡處理軟件、服務器指令處理軟件和運動控制軟件等等。

軟件框圖如下：