一种信息采集云台控制系统设计

莫浩明，余有明，余泽煌

（广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325）

一种信息采集云台控制系统设计

莫浩明，余有明，余泽煌

（广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325）

研究基于嵌入式的信息采集云台控制系统设计，以Cortex-M3内核的stm32f103rct6作为系统微控制器，完成在线信息采集云台系统设计方案，设计出控制系统的总体架构方案。该控制系统结合无线传输、传感器技术，以模块化设计实现数据采集、数据传输和运动姿态控制。采用无线射频模块HX-M02控制和传输数据，运用多轴运动处理组件MPU9150监测平台姿态并实时反馈，并处理数据使得云台快速调整相应姿态。经过多次的实验测试表明，系统各个模块配合良好，实时性好、性能稳定，控制准确的特点，达到了设计要求。

测绘建模；数据采集；自动控制；云台

近年来，随着建筑物数字化研究和工作的推进，建筑物室内测绘与建模的需求也随之迅速增长，传统的人工测绘建模方法需要花费较多时间，效率较低，所以通过利用自动化技术实现自动测绘与建模显得尤其有必要。新型的建筑物室内测绘与建模方法需要一套控制精准的云台用于采集环境数据，因此，以32位Cortex-M3内核的stm32f103rct6微处理器为核心，运用多轴运动处理组件MPU9150，搭载测绘建模的相关传感器，设计出一种基于嵌入式的实时性强、数据传输和处理速度快的信息采集云台控制系统[1]。

1 系统功能架构

信息采集云台控制系统由信息采集平台、无线通讯系统，控制中心组成。其中信息采集和控制中心是本系统设计的核心部分。图1为云台控制系统的总体结构图。图中传感器单元由陀螺仪、激光测距仪、摄像机、超声波模块等组成，采用2.4 G无线射频模块HX-M02负责将采集到的数据传输到计算机建模系统并传达建模系统生成的控制指令，形成云台控制-信息采集-云台任务实施，完成建模所需的测量任务，实现信息接收、信息处理、信息输出的功能，实现自动化、网络化、实时化[2]。

图1 云台控制系统的总体结构图

2 系统硬件设计

系统以Cortex-M3为内核的stm32f103rct6搭建起主控制处理模块，采用小型的工业CCD进行图片采集，2.4G无线射频模块HX-M02作为数据的传输和接收媒介，在云台上搭载激光测距模块、超声波模块、陀螺仪、磁航向等多种传感器单元以及激光网格发射装置、步进电机，以实现精确采集各种数据和改变云台姿态等功能。

2.1 数据传输模块

数据的采集和传输及接收是云台系统设计的复杂部分，为了有利于系统后期的功能拓展和硬件维护，采用模块化的设计，通过无线通信系统通过使用主控芯片的USART接口器完成数据发送以及数据接收，将接收到的数据进行解帧得到真正的数据，使得数据传输简单[3]。采用HX-M02无线射频模块作为该电路的数据传输模块。该无线传输模块与微控制器的电路接口采用串行通信原理，硬件连接示意图如图2所示。数据间通信使用标准的RS-232接口，并设计高速光耦隔离6N137模块对电路提高抗干扰能力[4-5]。通过接收地面控制站的指令，完成云台的控制、数据采集等功能。该模块主要负责信息采集与控制平台与PC端之间的通讯任务。符合IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b无线网络通讯标准。最高传输速率可达150Mbps，同时可以用来接收PC端的命令，控制信息采集平台旋转。

图2 HX-M02连接示意图

2.2 图像视频传输模块

DM368模块是基于ARM 926EJ处理器的低功耗数字多媒体处理芯片[6]，DM368模块采用的是完成符合PAL制式视频标准，可接Flash Memory或者FPGA等设备，支持H.264、MPPEG4等图像编码技术，芯片内部集成32 K RAM、16 K ROM、丰富的外部接口等资源，集图像和音频采集于一体，可以稳定高效的管理数据通信、视频压缩编码等任务[7]。由于视频数据在发射端和接收端会存在偏差，为了减少误差，需对H.264帧图像压缩编码算法进行优化。常用的H.264处理方法有对编码纹理负责区域的4×4像素和区域平坦的16×16像素两种算法，帧的预测可以看成是由简单的加法和移位运算来减少预测模式从而提高编码的效应。16×16像素预测模式由垂直预测、水平预测、DC预测以及平面预测4种模式[8-9]，4种模式的函数为：

本系统对图像的帧算法通过对16×16像素预测编码采用加法器和移位器运算，对计算方程进行优，减少数据占用空间，使视频传输效率提高[10]。采用的算法如下：

2.3 主控制器模块

云台控制系统的主控制器选用具有高性能STM32F103RCT6，工作频率高可达到72MHz，拥有高效的信号处理能力，片上集成丰富的资源，每个IO口都可做外部中断源，能够满足多路中断处理，提高处理器的资源利用率。具有多路USART，I2C、SPI通信接口，片外存储器可使用SDIO联接SD卡，拓展储存数据空间。

2.4 MPU9150模块

MPU9150是全球第一款九轴惯性传感芯片，包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三 轴磁力计，其中加速度和陀螺仪的精度为16 bit，磁力计的精度为13 bit，保证了测量的精确度，其加速度计的量程有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g可选，陀螺仪的量程 0为± 250，±500，±1 000，和±2 000 O/sec可选，磁力计的满量程为±1 200 uT，并且内置DMP用于姿态融合[11-12]。其经典接线图如图4。

图3 主控电路原理图

图4 MPU-9150接线图

3 软件设计

信息采集云台需要支持手动控制、计算机自动控制、程序执行等操作，并且有完备的通讯协议。信息采集云台控制系统要求软件的编写可靠、简单易操作，运行效率高，因此，本系统的软件设计要实现对云台的运动控制和信息采集，软件编程的重点在于前后台系统的体系结构拓展[13]。

3.1 程序流程

云台接收到控制中心发出的控制命令，先对数据进行校验，确保接收到的数据的完整性和准确性[14]。而后对其进行解帧，识别程序中的指令，做出相应的动作。通过相应传感矫正云台姿态，而后在返回结果到控制中心。程序的流程如图5。

图5 数据流程示意图

3.2 数据收发协议设计

为了实现数据收发，本信息采集平台参考NMEA 0183通讯协议[15]，设计制定数据收发协议。协议语句如下。

表1 协议格式

表2 功能及其定义

3.3 指令接收控制程序

当接收完一组数据后使用数据校验函数对数据进行校验，确保数据的完整性和准确性。校验通过后对数据进行解帧处理[16]。而后识别控制指令，做出对电机的相应控制与传感器数据读取。完成平台姿态调整后，把传感器数据打包传回。部分数据校验代码如下。

4 结束语

文中设计了基于STM32的信息采集云台控制系统，能够完成相应数据的采集、传输和处理，并且控制云台姿态，可采集并稳定传输建模系统所需要的的图像、俯仰角、距离等数据。系统整体绕着ARM构成的微控制器运转、具有低功耗、数据处理速度高效等特点，能够满足自动测绘与建模工作中准确采集数据的需要，为后续建模工作提供有力保证。

[1]张雪.通信基站综合监控系统软件设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2]付言华.网络化嵌入式实时控制器的设计与开发[D].沈阳：东北大学 2010.

[3]曹中凯.多功能手持通信测试仪设计与实现[D].北京：北京理工大学，2015.

[4]丁敏.电磁干扰及其抑制措施的分析[J].科技传播，2014（16）:67-68.

[5]曹恒，邱伟，宫文斌，等.基于PIC18LF4620与CC2420的无线传感器网络节点设计[J].仪器仪表标准化与设计，2008（4）:31-33.

[6]陈东旭，裴海龙.基于ARM7的无人机监控系统的设计[J].计算机工程与设计，2011，32（5）:1614-1615.

[7]吴笑天，鲁剑锋，王宇庆.基于DM368的无人机视频压缩系统的设计[J].液晶与显示，2014，29（6）: 1119-1120.

[8]刘少江，朱俊楠，王高亮.基于嵌入式的无线勘探机器人[J].实验室研究与探索，2013，32（9）:125-126.

[9]赖昌材，蒋洁.H.264/AVC帧内预测技术研究[J].科教文汇，2011（2）:53-55.

[10]倪伟传，任志健，丘泽敏.H.264帧内预测算法的优化及应用 [J].计算机系统应用，2013，22（4）: 108-109.

[11]朱阳，王伟成，王民慧.基于MPU9150的四轴飞行器姿态控制系统设计 [J].制造业自动化，2015，5（10）:46-48.

[12]InvenSense Inc.MPU9150 Product Specification Revision 4.0[J].InvenSense Inc，2012（6）：26-28.

[13]冯地明.状态机在嵌入式前后台系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（11）：25-27.

[14]刘生辉，王克英，廖颜深.智能开关柜操控装置Modbus-RTU通讯协议的设计[J].电测与仪表，2010（7）:77-80.

[15]钱德俊，张哲，胡晨.NMEA0183协议解析[J].电子器件，2007（2）:668-701.

[16]陈波，单承赣，张勇.夜间灯饰集中控制系统[J].自动化与仪表，2003（4）:42-44.

Design of a data acquisition platform controuing system

MO Hao-ming，YU You-ming，YU Ze-huang
（Huali College Guangdong University of Technology，Guangzhou 511325，China）

Research of data acquisition platform controlling system based on embedded technology，using Cortex-M3 core stm32f103rct6 chip as the system microcontroller to design the overall system architecture.The system combines wireless transmission，sensor technology and embedded technology to realize data acquisition，data transmission and instruction execution function in modular design.The RF module HX-M02 as responsible for remote control operation，MPU9150 monitoring platform attitude and real-time feedback，and data processing makes tripod head fast adjustment corresponding to the posture. After many experiments and tests show that the system has good performance，good real-time performance，stable performance and control accuracy，and has achieved the design requirements.

mapping modeling；data acquisition；automatic control；PAN/TILT

TN99

：A

：1674－6236（2017）03-0109-04

2015-12-23稿件编号：201512235

“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金资助重点项目（PDJH2015a0935）；大学生创新创业训练计划项目（201513656047）

莫浩明（1993—），男，广东广州人。研究方向:楼宇自动化。