基于LabVIEW的智能侦察车设计

邓 涛，李军营

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074)

基于LabVIEW的智能侦察车设计

邓 涛，李军营

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074)

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片为核心，进行智能侦察车硬件设计、软件设计、电路设计、上位机设计以及实车制作。硬件设计包括IP摄像头、直流电机、步进机、无线视频采集卡、无线模块、舵机、超声波模块、探照灯、MQ-2可燃气体传感器等；软件设计包括总体控制程序和编译程序；电路设计包括Freescale K60芯片电路设计、ASM1117稳压电路设计、直流电机BTS7960驱动电路设计、超声波的发射/接收电路设计、整体电路板设计；上位机程序设计采用虚拟仪器，用LabVIEW进行编程，开发了智能侦察车控制及信息显示面板、超声波测距和可燃气体检测面板程序。

车辆工程；LabVIEW；Freescale K60；硬件设计；软件设计；电路设计

侦察车不仅可应用于军事领域，在民用抢险救灾等领域也可发挥巨大的作用，减少财产损失和人员伤亡。而随着智能化侦察车的需求不断扩大，使得集成通信、控制、信息、电子等设备于一体化的综合性智能侦察车的研发越来越紧迫。目前对侦察车的研究主要是集中在军事、警用领域，针对侦察系统、图像处理、光学系统、机械部件以及优化路线等方面[1-6]。笔者立足于民用化智能侦察车研究，研制基于LabVIEW的智能侦察车系统，包括硬件设计、软件设计、电路设计、上位机设计以及实车制作等。

1 智能侦察车的总体设计

总体设计如图1，包括车体、车体控制模块、路况场景侦查、污染度检测、上位机、显示界面等。本侦察车能够通过电脑键盘控制车体的运行，智能体现于能够远程实时传输作业场景图像，根据远程指令自动调整车体，旋转摄像头，开关夜视灯，能自动检测作业环境的可燃气体浓度并将数据远程发送于电脑上位机的监控端，还能够根据不同的作业环境更换磁性轮胎，用于管道可燃气的检测。表1为基于LabVIEW开发的侦察车监控控制系统的键盘操作，能够实现侦察车的远程遥控的信号生成。

图1 智能侦察车的总体设计Fig.1 Overall design of intelligent reconnaissance vehicle

按键名按键对应的功用W侦查车前进S侦查车后退A侦察车左转向D侦察车右转向K侦察车整车姿势纠正J侦察车急停C超声波测距,用于整车位置的控制和侦查物体的大致位置L远程探照灯运行与关闭KIP摄像头的旋转

2 智能侦察车的硬件系统设计

本侦察车由IP摄像头、直流电机、步进机、无线视频采集卡、无线模块、舵机、超声波模块、探照灯、MQ-2可燃气体传感器等组成，如图2。

图2 智能侦察车整体设计Fig.2 Overall design sketch for intelligent reconnaissance vehicle

2.1 Freescale K60芯片

基于ARM Cortex M4架构的Kinetis微控制器。Kinetis系列微控制器，融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号处理能力，宽广的互连性、人机接口和安全外设。系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于电压、频率、温度和外部传感(用于物理攻击检测)的传感器[7]。

2.2 无线IP摄像头

IP摄像头可以360°旋转，需要上位机软件，上位机软件是基于LabVIEW软件编制的。IP摄像机一般指的就是网络摄像机，它包括一个普通摄像机、视频服务器、网卡、应用软件等，有的还包括云台和变倍镜头。IP摄像头与传统的摄像头的不同在于将传统的有线数据摄像头进行无线改造的关键就是将经数字处理芯片的数字信号通过无线发送装置将信号送出，再经无线接收装置将数字信号上传给Internet或者PC实现视频信号无线传输。

2.3 MQ-2可燃气体传感器

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)[8-9]。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。气敏传感器MQ-2采集到的模拟信号以电压的形式表现出来，经过AD转化后才能输入单片机处理。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸气的检测也很理想。

2.4 超声波部分

为方便精确控制侦察车安装有超声波模块。HC-S04超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触测距功能。基本原理：采用单片机IO口TRIG触发测距，给至少10 μs的高电平信号。模块自动发送8个40 kHz的方波。并自动检测是否有信号返回。一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比[10]：

3 电路设计

3.1 ASM1117稳压电路设计

基于ASM117的稳压设计电路为单片机提供必要供电电源，由说明书知稳压公式：

VOUT=VREF(1+R2)+IADJR2

(1)

确定必要的电阻、电容参数如图3。

图3 稳压电路Fig.3 Regulating circuit

3.2 Freescale K60芯片电路设计

K60芯片是整车数据的处理中心，确保车体的行驶，数据的采集与分析，车体与PC机的交互式通信等必要的条件，如图4，K60为最小系统。

图4 K60芯片原理Fig.4 K60 chip principle map

3.3 直流电机BTS7960驱动电路设计

侦察车动力来源于直流电机，且需要前后行驶，故采用全桥驱动控制直流电动机[11]。BTS7960的芯片内部为一个半桥，则两片BTS7960构成全桥驱动。INH引脚为高电平，则使能BTS7960，如图5。

图5 直流电机驱动电路Fig.5 DC motor driving circuit

3.4 超声波的发射/接收电路设计

TL074是常用且价廉的运放。一个芯片内集成了相同的四路运放电路，因为是JFET输入，即结型场效应管作为输入，也就是能输入阻抗很大的信号源，所以有关噪声的指标比使用双极性晶体管输入的常用运放电路要低。实验证明MAX232的驱动能达到9 V，比一般的反相放大器，如图6。

图6 超声波模块设计电路Fig.6 Ultrasonic transmitting/receiving circuit

3.5 整体电路板设计

基于Altium Designer进行电路的设计并绘制PCB板，如图7。

图7 驱动板部分3D图Fig.7 3D map of driving plate

4 智能侦察车的软件系统设计

4.1 总体控制程序

首先初始化程序，检测LabVIEW上位机控制系统是否发送运行指令，控制器分析采集的运行指令代码。然后控制相应的模块运行如可燃气体检测、超声波测距、IP摄像头旋转等等。所有的指令由侦察员通过电脑键盘输入，上位机读取指令转换并发送。下位机采集的视频、数据等也通过上位机接收与呈现，如图8。

图8 总体程序Fig.8 Whole program map

4.2 IAR Embedded Workbench编译程序

IAR Embedded Workbench支持C/C++进行编程，能够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描你的代码，以找到并减少明显的错误，然后编译并链接程序以便计算机能够理解并执行你的程序，并且能实时仿真为调试硬件提供了很大的方便，如图9。

图9 IAR Embedded Workbench编译程序界面Fig.9 IAR Embedded Workbench compiler program interface

5 上位机程序设计

本控制器采用虚拟仪器作为采集信息软件，是用LabVIEW作为编程语言。选用无线模块作为数据采集设备，没有用数据采集卡使其能被大多数用户所接受[12]，如图10。

图10 控制及信息显示上位机前面板Fig.10 Control and information display panel on host computer

在LabVIEW和NI-IMAQ Vision软件平台下，利用视频采集卡接收IP摄像头信号，如图11。侦察车的控制方式是读取PC键盘指令，进行实车远程控制，读取指令的上位机程序，如图12。

图11 视频采集后面板程序Fig.11 Back panel procedure sketch of video acquisition

图12 键盘远程控制后面板程序Fig.12 Back panel procedure sketch of keyboard remote control

下位机检测的作业环境的情况数据需要上位机来接收并呈现，图13为接收距离和可燃性气体浓度情况的LabVIEW程序框图。

图13 超声波测距和可燃气体检测后面板程序Fig.13 Back panel procedure of ultrasonic ranging and combustible gas detection

6 智能侦察车模型

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片为核心的侦察车模型整体布局，车体前方为超声波传感器，中部为K60核心板，安装有IP摄像、头探照灯等。后方是MQ-2传感器、直流电机和继电器等，并且安装的轮子可更换且周围安装有较强的磁性的薄磁铁的轮子，能够吸在粗大的可燃气体管道上自由行使，来检查煤气管道是否漏气等,如图14。

图14 侦察车模型整体安装Fig.14 The whole installment sketch of reconnaissance vehicle model

7 结 论

基于LabVIEW，以Freescale K60芯片为核心，完成智能侦察车的硬件设计、软件设计、电路设计、上位机设计以及实车制作，完成测试取得以下的成果。

1)进行了包括基于LabVIEW上位机软件的无线IP摄像头、MQ-2可燃气体传感器、以及HC-S04超声波测距模块等硬件设计，增加侦察环境的透明度，提高对液化气、丙烷和氢气等可燃气体浓度检测灵敏度，并有效确定作业环境物体方位。

2)进行了总体控制程序与IAR Embedded Workbench编译程序等软件设计，为在线实时仿真阶段调试硬件提供便利。

3)进行了Freescale K60芯片电路、ASM1117稳压电路、直流电机驱动电路、超声波发射/接收电路以及驱动板整体电路设计。

4)开发了基于LabVIEW的智能侦察车控制及信息显示面板，界面风格清新精致，操作简单快捷，软件、硬件升级空间大，在很大程度上适应产品的换型。

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Design of Intelligent Reconnaissance Vehicle Based on LabVIEW

DENG Tao, LI Junying

(School of Mechantronics & Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

Based on LabVIEW software and taking Freescale K60 chip as the core, the hardware, software, circuits and host computer design of intelligent reconnaissance vehicle was carried out; furthermore, the real car was manufactured. The hardware design included the design of IP camera, DC motor, stepper motor, wireless video acquisition card, wireless module, steering gear, ultrasonic module, searchlight, MQ-2 combustible gas sensor and so on. The software design included the design of overall control program and complier program. The circuits design contained Freescale K60 chip circuit, ASM1117 regulating circuit, the DC motor BTS7960 driving circuit, ultrasonic transmitting/receiving circuit and the whole circuit board design. The host computer program design adopted the virtual instrument, used LabVIEW to program, and developed the control and information display panels, ultrasonic ranging and combustible gas detection panels of the intelligent reconnaissance vehicle.

vehicle engineering; LabVIEW; Freescale K60; hardware design; software design; circuit design

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.34

2015-06-20；

2015-12-23

国家自然科学基金项目(51305473)；中国博士后科学基金项目(2014M552317)；重庆市博士后研究人员科研项目 (xm2014032)；重庆市科委基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcyjA0794)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ120421)

邓 涛(1982—)，江西新干人，副教授，博士后，主要从事混合动力方面的研究。E-mail：d82t722@163.com。

U462.2

A

1674-0696(2016)03-173-05