基于无线控制和视频传输的危险地域多功能探测车的制作方法

本实用新型涉及一种多功能探测车，尤其涉及一种基于无线控制和视频传输的危险地域多功能探测车。

背景技术：

我国是一个自然灾害和人为事故多发的国家，通常自然灾害和事故现场情况复杂且有很高的危险性，但抢险救灾和事故的处理与救援需要及时的获得现场内的真实情况，如空气质量、温度、干湿度、人员伤亡情况以及伤者位置、是否有火灾等，但是其中最重要的是获得现场的实时图像；但现在我国缺少相关探测设备，导致不能及时获得上述信息，进而影响后续的救援工作，甚至延误最佳救援时间，造成不必要的人员伤亡和财产损失。目前针对这种情况采取的措施是由救援人员携带相关探测和救援设备进入危险区域实施探测和救援，这种方式一般无法将所得数据和图像进行实时传输，同时对进入现场实施探测和搜救工作的人员也存在巨大的安全隐患。而且救援人员所携带的探测和救援设备也有可能因为环境恶劣而导致失灵。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于无线控制和视频传输的危险地域多功能探测车，该探测车解决了上述现有的设备空白和技术缺陷，提供一种操作简单，工作稳定的基于无线控制和无线视频传输的多功能探测、排险以及救援车，实现远距离无线控制、视频传输以及各传感器的参数传输。

本实用新型是这样实现的，它包括探测车、机械臂、探测器、控制器、无线控制模块、锂电池组、视频无线传输模块、高清摄像头、摄像头云台、电动伸缩杆、电机驱动电路、AD/DA电路、LED照明灯，其特征在于：探测车内部锂电池组，锂电池组连接探测车的四个轮子的驱动电机，驱动电机分别连接电机驱动电路，电机驱动电路连接控制器，控制器分别连接无线控制模块和视频无线传输模块，视频无线传输模块连接高清摄像头，高清摄像头通过电动伸缩杆连接摄像头云台，摄像头云台固定在探测车的车体上，所述探测车的车体上连有机械手臂，所述探测车的前端设有LED照明灯和若干个探测器，控制器还连接机械手臂、电动伸缩杆、摄像头云台和探测器。

所述探测车的车体包括下底板和上底板，下底板固定水平连接上底板形成车体。

所述探测器为湿度传感器、液化气探测器、酒精探测器、甲烷天然气探测器、丙烷探测器、丁烷探测器、一氧化碳探测器、氢气探测器、煤气探测器、有害气体浓度探测器、火焰探测器、红外人体探测器和超声波测距探测器。

所述超声波测距探测器固定在超声波模块云台上。

所述控制器的核心控制芯片采用STC12C5A60S2单片机。

所述视频无线传输模块的主芯片采用STM32F407芯片

所述红外人体探测器上加装热敏电阻，防止其在高温环境下被误触发。

所述湿度探测器加装外保护壳，使其不直接暴露在空气中。

所述摄像头由视频处理模块控制，所述视频处理模块将图像数据传给视频无线传输模块并由视频无线传输模块传给上位机，实现视频无线实时传输。

高清摄像头连接在电动伸缩杆上，电动伸缩杆连接在摄像头云台上，通过控制摄像头云台和电动伸缩杆可以使摄像头拍摄不同角度和高度的图像，可以对周围环境做更加详细的拍摄。

超声波模块安装在超声波模块云台上，通过控制超声波云台向不同方向不同角度转动可以实现对多功能探测车周围无死角的距离和障碍物探测。

气体传感器、火焰探测器以及湿度传感器电路由AD/DA电路与湿度传感器、常见可燃气体浓度探测器、有害气体浓度探测器、火焰探测器共同组成；采用此高精度高速的AD转换模块可以精确的把各种传感器的模拟数据转化为相应的数字量并传回控制器，进而由控制器控制无线模块传回上位机。

上述常见可燃气体浓度探测器和有害气体浓度探测器均经过滤波，将干净的模拟信号传入AD/DA转换模块，提高数据的精确度。

上述小车控制器的核心控制芯片采用STC12C5A60S2单片机，此单片机与51单片机的指令集相容，但运行速度在晶振频率相同的情况下是51单片机的12倍，在运行时打开其WATCH_DOG功能，在受到强电磁干扰你等恶劣情况下导致程序跑飞时可以自动复位，提高系统稳定性，所以此单片机具有价格便宜、运行速度快、能耗低、运行稳定等特点。

上述视频处理模块的主芯片采用STM32F407芯片，该芯片具有功耗低、处理能力强，价格低廉等优势。

上述无线视频传输模块采用1.2GHz、8W的规格，1.2GHz的无线电频率具有穿透障碍能力强传输干扰小传输距离远等特点，采用8w的大功率可以增长传输距离。

采用主芯片为SI4463-B1B1的无线传输模块作为无线控制模块，此模块具有功耗低、传输距离远、可靠性高等特点、在不需要视频传输时可关闭8w大功率视频传输模块以节约电能，增强续航能力。

采用双无线模块传输，两个模块分别使用1.2GHz和2.4GHz，使其不会互相干扰，提高了系统的稳定性，降低了系统的整体能耗，提高了续航能力。

机械手臂包括6个大扭矩数字舵机，金属舵盘以及支架；数字舵机相比于模拟舵机有控制方便、定位精度高等优点。

摄像头云台包括云台支架、减震垫以及三个高精度舵机，减震垫可使摄像头拍摄稳定，云台可使摄像头拍摄不同角度方向的图像，使得对周围的观察更加详细和全面。

上述伸缩杆可以使摄像头拍摄不同高度的图像。

电机驱动电路由两个L298N双H桥驱动芯片，可以同时控制四路直流电机，具有电路简洁稳定，驱动能力高的优点。

进一步改进，在超声波模块传回数据时，读取温度探测器的数据，根据温度不同为超声波提供温度补偿，以修正超声波的温漂现象，提高测量精度。

进一步改进，在红外人体探测器上加装热敏电阻，防止其在高温环境下被误触发。

进一步改进，为湿度探测器加装外保护壳，使其不直接暴露在空气中，提高检测精度和稳定性。

进一步改进，机械手臂的上位机控制采用在控制者臂加装6个电子陀螺仪模块，以检测控制者的动作，通过上位机无线传输传至小车控制机械臂，这种控制方式可以使机械臂完全模拟出控制者的手臂动作，实现高精度且简便的机械臂控制。

无线电技术：无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

机械臂：机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。目前机械手臂大致分为两种，一种是按照设定好的程序不断完成固定的动作，优点在于动作精确度高，速度快；缺点在于只能完成设定好的动作不能随机应变。第二种是采用按键或手柄遥控，优点是可以完成各种随机的动作，缺点是定位精度不高，操作需要一定的技巧和熟练度。

超声波测距：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制；但由于超声波传输速度受环境温度影响很大，导致测量精度不高。

红外人体探测器：在红外线探测器中，热电元件检测人体的存在或移动，并把热电元件的输出信号转换成电压信号。然后，对电压信号进行波形分析。于是，只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时，才输出检测信号。例如，在两个不同的频率范围内放大电压信号，且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号，其缺点是易受到外界温度干扰，当温度过高时易误触发。

空气质量传感器：MQ-135传感器适宜于氨气、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、烟雾等气体有害气体的探测，根据有害气体浓度输出电压信号。

可燃气体传感器：MQ-2、MQ-3、MQ-4、MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8、MQ-9实现对液化气、酒精、甲烷天然气、丙烷、丁烷、一氧化碳、氢气的高精度探测；其原理是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)。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。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

温度传感器：使用达拉斯公司生产的DS18B20高精度温度传感器，可实现-55℃到+125℃范围内的温度探测。

湿度传感器：湿敏原件湿度传感器主要分为两种，分别是湿敏电阻和湿敏电容；其原理分别是：湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。缺点是：湿敏元件的抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

伺服电机：伺服电机可控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

陀螺仪：陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。

本实用新型的技术效果是：利用无线电技术实现远距离无线控制和数据、图像传输以及利用三维电子陀螺仪采集控制者手臂动作实现对机械臂精确、简便的操控，完成复杂动作；可用于对危险地域或不适合人类进入的地域进行探测、救援以及危险排除。

附图说明

图1为本实施例的立体结构示意图；

图2为本实施例的车体底板结构示意图；

图3为本实施例的超声波模块结构示意图；

图4为本实施例的电机驱动电路原理图；

图5为本实施例的电机驱动电路与电机连接原理图；

图6为本实施例的主控器主芯片的电路原理图；

图7为本实施例的LCD液晶显示屏连接示意图；

图8为本实施例的AD/DA模块电路原理图；

图9为本实施例的摄像头伸缩杆规格图；

图10为本实施例的图像处理模块主芯片外部电路原理图；

图11为本实施例图像处理模块主芯片的外部引脚插针分布及标号图；

图12为本实施例图像处理模块芯片LDO(低压差线性稳压器)的电路原理图；

图13为本实施例图像处理模块模拟电源电路原理图；

图14为本实施例图像处理模块24位、96kHz立体声D/A转换器电路原理图；

图15为本实施例图像处理模块JTAG接口电路原理图；

图16为本实施例图像处理模块1117-3.3V低压差稳压器电路原理图；

图17为本实施例图像处理模块与0V7670摄像头模块连接接口原理图；

图18为本实施例图像处理模块RS232-USB接口转换器芯片的电路原理图；

图19为本实施例图像处理模块电源去耦电容的电路原理图；

图20为本实施例图像处理模块SD卡接口电路原理图；

图21为本实施例图像处理模块COM接口转USB接口的电路原理图；

图22为数字摄像头接口(DCMI)的处理过程框图；

图23为数字摄像头接口的顶级框图；

图24为数字摄像头接口(DCMI)的时序图；

图25为本实施例空气质量传感器(MQ-135)电路原理图。

具体实施方式

下面通过一下具体实施例对本实用新型进行详细描述。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型进行详实、完整的描述。基于本实用新型中的实施例，其他技术人员在没有做出创造性劳动下获得的其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1、图2、图3，基于无线控制和视频传输的危险地域多功能探测车包括：下底板1，上底板2，安装在下底板1后部的锂电池组3、安装在下底板1中部的控制器4、安装在下底板1后部左侧的视频无线传输模块5和无线控制模块6、安装在电动伸缩杆8上的高清摄像头7、安装在上底板2前部的摄像头云台9、安装在摄像头云台9上部的电动伸缩杆8、安装在下底板1上控制器4左边的电机驱动电路10、安装在控制器4前部的AD/DA电路11、安装在下底板1前部右边的湿度传感器12、依次排列在下底板1前部的常见可燃气体浓度探测器(液化气探测器13、酒精探测器14、甲烷天然气探测器15、丙烷探测器16、丁烷探测器17、一氧化碳探测器18、氢气探测器19、煤气探测器20)、安装在下底板1前部的有害气体浓度探测器21、安装在下底板1前部探测头伸出小车前方中部的火焰探测器22、安装在上底板2车体前部中间的红外人体探测器23、安装在超声波云台25上的超声波测距模块24、安装在上底板2前部中间的超声波模块云台25、安装在上底板2中部的机械手臂26、安装在高清摄像头7上的LED照明灯28、安装在上底板2后部的直流降压电路27、安装在下底板1下部左前方的左前轮29、安装在下底板1下部左后方的左后轮30、安装在下底板1下部右前方的右前轮31、安装在下底板1下部右后方的右后轮32、安装在右前轮31上的右前轮驱动电机33、安装在右后轮32上的右后轮驱动电机34、安装在左前轮29上的左前轮驱动电机35、安装在左后轮30上的左后轮驱动电机36、连接下底板1和上底板2的支撑铜柱37、安装在上底板2后部中间的LCD(12864B)显示屏38。

在本实施例中，控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P0^0口到P0^2口连接74HC138芯片的三个输入管脚，74HC138芯片的八个输出管脚分别连接电机驱动电路的不同输入端以控制四个轮子的正传和反转，还可通过PWM输出的形式控制转速的快慢，使用74HC138芯片可以节省IO口资源。

在本实施例中，控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P1^0口和P1^1口分别接IIC总线的时钟信号线SCL和数据信号线SDA，可把通信协议为IIC协议的器件接在时钟信号线SCL和数据信号线SDA上，同一个IIC总线最多可挂载8个同类型芯片，在本实施例中可把3个PCF8591芯片接在IIC总线上，通过把芯片3个地址引脚接VCC或GND来为芯片设置不同的地址，从而可以在同一条IIC总线上唯一访问到某一个PCF8591芯片，同时每一个PCF8591芯片可以连接4个输出为模拟量的探测器，将探测器输出的模拟量转化为数字量输入控制器，进而通过无线控制模块传回上位机。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P1^2口和P3^2口接在超声波模块的Echo(接收端)接口，P1^3接口接在超声波的Trig(控制端)接口，由STC12C5A60S2的P1^3口向超声波Trig(控制端)发送一个10us以上的高电平，超声波模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过Echo口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，Echo口所连接的STC12C5A60S2芯片的P1^2口检测到高电平立即打开单片机计时器，开始记录高电平时间，P3^2口是单片机的外部中断触发口，将单片机外部中断设定为下降沿触发方式，P3^2口只要收到下降沿信号，立即关闭计时器，并读出计时器所记时间，这就是超声波从发射到返回的精确时间，然后读取温度芯片的温度值，根据温度值校正超声波的温漂，从而读出准确距离。

在本实施例中，控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P1^4口连接温度探测器的数据接口，DS18B20温度芯片采用单总线方式通信，控制器的主芯片STC12C5A60S2可通过IO口的P1^4口读出现在所处环境的准确温度数值。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P1^5、P1^6、P1^7口连接74HC138芯片的三个输入管脚，74HC138芯片的八个输出管脚接LCD(12864B)的八位数据线，控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P3^0、P3^1、P3^4口分别接LCD(12864B)的RS、RW、E，实现对显示屏LCD(12864B)的控制。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P2^0、P2^1、P2^2、P2^3、P2^4、P2^5口分别与机械臂的六个数字舵机的控制线，只要这六个IO口输出不同占空比的PWM方波，就可以控制舵机旋转的不同角度，用单片机定时器产生PWM方波，可实现机械臂的精确定位；控制器的主芯片STC12C5A60S2由无线传输模块从上位机获得操控者手臂上陀螺仪的参数，以此来控制机械臂舵机，做出完全与操控者手臂一致的动作，做到定位精准，操控简便。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P2^6口控制一个继电器，进而控制视屏传输模块、摄像头云台、视频处理模块和高清摄像头的工作与否；高清摄像头拍到的图像经过视频处理模块的处理以后，经过视频无线传输模块传回上位机。

在本实例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P3^5、P3^6、P3^7分别控制摄像头云台的三个舵机，通过输出不同占空比的PWM方波控制三个舵机转动的方向和角度，实现精确控制，是摄像头可以拍摄不同角度和方向的图像。

在本实例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P2^6口连接电磁继电器，控制摄像头伸缩杆的运动，可通过输出PWM方波的方式，精确控制伸缩杆的运动。

在本实施例中摄像头LED照明灯与光敏电阻传感器的DO引脚连接，当环境光强度达不到设定阈值是，DO输出高电平，点亮LED照明灯，这种方法可以自动控制LED灯的亮灭，节约电能。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P2^7口连接红外人体探测器的输出管脚，当红外人体探测器感应到生命体后，输出管脚输出高电平，当P2^7口接收到高电平后可由无线控制模块向上位机发送信息，请求相应的救援。

在本实施例中控制器的主芯片STC12C5A60S2的IO口的P0^3口连接超声波云台的控制线，通过输出不同占空比的PWM方波实现超声波云台不同方向不同角度的转动，从而实现超声波模块可以扫描探测车的周围环境。

图4、图5为电机驱动电路的电路原理图以及电机驱动电路与电机连接原理图，电机驱动电路包括两个L298N驱动芯片，每个L298N模块可以驱动2个直流电机，按照图4方法搭建电机驱动电路，按照图5方法连接电机驱动电路的电路和电机。

图6为主控器主芯片的电路原理图，按照原理图搭建主控器主芯片电路。

图7为LCD(12864B)液晶显示屏连接示意图，按照图7所示方法搭建LCD(12864B)液晶显示电路。

图8为AD/DA模块电路原理图，按照图8所示原理图搭建AD/DA模块电路。

图9为摄像头伸缩杆规格图，安装时注意其规格和行程。

图10到图21为图像处理模块电路原理图，按照图10所示电路原理图搭建图像处理模块主芯片电路。

图10为图像处理模块主芯片外围电路的电路原理图，按图10所示连接图像处理模块主芯片与外部晶振以及去耦电容等电路部分，完成图像处理模块主芯片的外围电路搭建。

图11为图像处理模块主芯片的IO口外接排针对应图。

图12为图像处理模块LDO-1.8V芯片的外围电路连接原理图，它是一种低压差线性稳压器，其功能是将电压稳定在1.8V，按照电路原理图所示搭建LDO-1.8V芯片的外部电路。

图13为图像处理模块模拟电源电路原理图，其中使用到了105、104电容进行滤波，进过多次滤波，而且电路中连接了电感器件，使其输出的直流电纹波小，纯净度高，工作稳定，按照如图所示搭建图像处理模块的模拟电源电路。

图14为图像处理模块的24位、96kHz立体声D/A转换器外部电路原理图，是完美的立体声数模输出系统，用于声音的处理，按照如图所示搭建其外部电路。

图15为图像处理模块的JTAG接口外围电路原理图，JTAG是联合测试工作组，JTAG接口可用于对FLASH等器件进行编程，JTAG编程方式大大加快工程进度，按照如图所示搭建JTAG接口的外部电路图。

图16为图像处理模块的1A低压差稳压器，其可提供3.3V的标准电压，按照如图所示搭建电路原理图。

图17为图像处理模与OV7670高清摄像头连接电路原理图，其可实现图像处理模块与OV7670高清摄像头的连接，从而使图像处理模块接受并处理OV7670高清摄像头传回的数据，按照如图所示连接电路。

图18为图像处理模块RS232-USB接口转换器芯片的电路原理图，PL2303芯片一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口简便的连接，可实现RS232信号与USB信号的自动转换，从而实现电脑与图像传输模块的通信，用来为图像处理模块烧写程序，传输数据等，按照如图所示搭建PL2303外围电路

图19为数字电源的去耦电路，可以去除纹波，输出较为纯净的直流电，按照如图所示连接电路。

图20为图像处理模块SD卡与主芯片连接的电路原理图，通过此电路可实现图像处理模块主芯片从SD卡读取数据和向SD卡写入数据，由于图像文件较大，可在收到干扰，图像无法回传或回传效果不佳时将图像储存在SD卡中，待小车返回后读取SD卡中的视频，也可将探测器探测到的数据储存到SD卡中。

图21为图像处理模块COM接口转USB接口的电路原理图，其可以实现串行格式数据与USB格式数据的转换，按照如图所示连接电路。

图22、图23、图24为图像处理模块主芯片DCMI接口的控制框图以及时序图，其中DCMI数字摄像头接口是一个同步并行接口，能够接收外部8位、10位、12位或14位CMOS摄像头模块发出的高速数据流。可支持不同的数据格式：YCbCr4:2:2/RGB565逐行视频和压缩数据(JPEG)。其高速数据流可达54MB/s。该接口包含多达14条数据线(D13-D0)和一条像素时钟线(PIXCLK)。像素时钟的极性可以编程，因此可以在像素时钟的上升沿或下降沿捕获数据。这些数据被放到32位数据寄存器(DCMI_DR)中，然后通过通用DMA进行传输。图像缓冲区由DMA管理，而不是由摄像头接口管理。从摄像头接收的数据可以按行/帧来组织(原始YUB/RGB/拜尔模式)，也可以是一系列JPEG图像。数据流可由可选的HSYNC(水平同步)信号和VSYNC(垂直同步)信号硬件同步，或者通过数据流中嵌入的同步码同步。处理后的图像数据由图像处理模块传输到视频无线传输模块，进而传回上位机。

本实施例的摄像头模块通过DCMI接口与图像处理模块相连，由图像处理模块主芯片处理接收到的摄像头数据，并发送给无线视频传输模块，由无线视频传输模块传回上位机。

图25为空气质量传感器(MQ-135)电路原理图，按照图11搭建空气质量传感器电路，其他气体传感器电路与此电路类似，只是感应头不同，通过本电路更换感应头部分可以搭建出其他气体传感器电路。