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機器人與人工智能應(yīng)用-ROV水下航行器

2021-03-02 10:37:42 作者:小編

機器人與人工智能應(yīng)用-ROV水下航行器


機器人1.png


一、整機組成及功能

公司ROV水下航行器主要由ARM主控板、驅(qū)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(qū)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(shù)據(jù),顯示水下拍攝圖像。

(一)整機組成

機器人2.png

系統(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn),逆時針旋轉(zhuǎn),等運動控制。

2)下潛深度:20米,提供深度數(shù)據(jù)

3)速度6檔可調(diào),最低速度0.2米/秒,最高速度3米/秒。

4)姿態(tài)感知:實時提供潛航器歐拉角、加速度和磁力計數(shù)據(jù);

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(shù)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(nèi)容

1)水下拍攝視頻

2)當(dāng)前區(qū)域地圖及ROV位置顯示

3)當(dāng)前ROV姿態(tài)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(shù)實現(xiàn)

(一)各功能實現(xiàn)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(qū)動攝像頭工作;

2)水下航行:航行器內(nèi)ARM主控板接收APP的控制指令,主控板通過網(wǎng)絡(luò)接口芯片直接接受WIFI信息,主控板發(fā)送指令給飛控模塊,飛控模塊發(fā)送PWM波控制推進器航行。航行器前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)通過控制航行器周圍四個螺旋槳推進器正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。航行器側(cè)傾姿態(tài)調(diào)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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。

3)遠程通訊:ARM主控板與路由器模塊通過以太網(wǎng)口連接,航行器內(nèi)路由器模塊與水上通訊模塊內(nèi)WIFI模塊通過100M+電纜連接,水上通訊模塊內(nèi)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(shè)計

1. 自制ARM主控板

1)采用ARM Cortex-M4 CPU;

2)CPU內(nèi)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??;

(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(zhǔn)(ABLC)和自動帶通濾波器(ABF);

(3) 支持圖像質(zhì)量控制,色飽和度調(diào)節(jié)、色調(diào)調(diào)節(jié)、gamma校準(zhǔn)、銳度和鏡頭校準(zhǔn)等;標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置;支持圖像壓縮,即可輸出JPEG圖像數(shù)據(jù);

(6) 支持?jǐn)?shù)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(zhuǎn)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(huán)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(shù)字形式輸出9軸旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)(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(shù)字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少MCU復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷

(6) 自帶一個數(shù)字溫度傳感器

(7) 可編程數(shù)字濾波器

(8) 支持SPI接口,通信速度高達20Mhz

(9) 自帶512字節(jié)FIFO緩沖區(qū)

(10) 400Khz的IIC通信接口

5. 螺旋槳推進器及電調(diào)

電調(diào)信號發(fā)生器發(fā)送控制命令到驅(qū)動器,驅(qū)動器根據(jù)收到的參數(shù)控制推進器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

(1) PWM波頻率:50Hz(20ms)

(2) 中點停轉(zhuǎn):占空比7.5%,高電平脈寬1500us

(3) 反轉(zhuǎn):高電平脈寬1100 - 1500us

(4) 正轉(zhuǎn):高電平脈寬1500 - 1900us

(5) 停轉(zhuǎn)區(qū)間:高電平脈寬1475us - 1525us

6.蓄電池及電源管理系統(tǒng)

采用12V/40Ah鋰電池做為航行器蓄電池。

7. 推進器

機器人3.png


(三)ARM主控板軟件結(jié)構(gòu)和軟件流程

ARM主控板軟件的重點內(nèi)容之一就控制板與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。我們采用LWIP開源代碼實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)軟件,并增加控制板外部接口、定時器、PWM、串行通訊、SDRAM等內(nèi)部資源初始化軟件,以及潛航器自平衡處理軟件、服務(wù)器指令處理軟件和運動控制軟件等等。

軟件框圖如下:

機器人111.png



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