内含实物图一款可独立行走且支持远程对话的微型巡逻摄像头——硬件方案

Posted 2021-09-13 三明治开发社区

一、概述

           随着科技的不断发展，机器人也越来越被大家所熟知。像各大商场，银行，餐厅等地方，机器人已经是被广泛使用在方方面面，使大家的生活越来越便捷。特别是人工智能的发展和视觉技术的成熟，机器人的功能也越来越强大，去代替人类完成各种难以完成的工作。

          今天给大家带来的是一款微型巡逻摄像头，它不仅可以独立行走还具备远程监控和远程对话功能，小巧玲珑，便于携带。可以像巡逻车一样进行安防巡逻，也可以穿梭于管道等各种狭小区域进行探测工作，更能做为可视智能机器人监控家庭安全，远程对话功能实现和老人、小孩实时互动，广泛应用于居家、商业和工业场景。

二、硬件设计

          微型巡逻摄像头整体数据信号交互如下：

接下来分三个方面进行详细介绍：

1.控制单元

• 原理图如下

1.1. MCU

    该部分为主控芯片STM32G071RBT6相关电路，主要控制引脚如下：

• NEST为单片机的复位按键，USER为用户自定义按键，可以通过编程赋予特定的按键功能。

• A_SA，A_SB和B_SA，B_SB这两组具备定时器的编码器功能，需接两个轮子的霍尔编码器输出脚。编码器是一种将角位移或者角速度转换成一连串电数字脉冲的旋转式传感器，我们可以通过编码器测量位移或者速度信息。

• PWMA和PWMB这两组具备定时器的PWM功能，通过调节占空比来实现电机转速的控制。

• AIN1，AIN2和BIN1，BIN2这两组为普通IO口，通过改变高低电平来控制电机正转和反转，具体方式会在下文详细介绍。

• MOTO_OUT3，MOTO_OUT4和MOTO_OUT7，MOTO_OUT8这两组为单片机的外部中断输入口，通过该信号，可以实现手机app控制设备移动。

• ADC引脚具备单片机的ADC功能，通过该引脚可以测量当前电池电压。

• BEEP引脚用于控制蜂鸣器。

• MPU_INT为单片机外部中断输入口，传感器通过该引脚通知单片机读取数据。

• SCL和SDA为传感器的IIC接口，单片机通过该接口读取传感器数据。

• SWDIO和SWCLK为单片机的程序下载口。

• USART1_TX和USART1_RX为通讯串口，用于用户和单片机的数据交互。

1.2.POWER

          该部分为系统的电源电路。本系统输入电压VPP为12V左右，VPP一部分直接给两个电机供电，还有一部分通过MT2492 DCDC芯片降压到5V，给摄像头单元和霍尔编码器模块供电。

         其中MT2492是一款高效的DCDC芯片，转换效率最高可达96%。该芯片工作时，开关频率为600KHz，最大的可以输出2A电流，输入电压支持4.5V~16V，具有短路保护和内部失效保护，非常安全可靠。 详情点击这里查看MT2492数据手册

         MT2492降压得到的5V电压，还会通过一颗LDO芯片进一步降压到3.3V，给MCU和其他外设供电。

         该LDO选择了AMS1117-33，这是一个正向低压降稳压器，内部集成过热保护和限流电路，最大可以输出1A电流，输入电压最高允许12V，输出稳压到3.3V，输出精度误差仅在1%以内。详情点击这里查看AMS1117数据手册

1.3.MOTOR

         该部分为电机驱动电路和电机接口电路。电机驱动采用TB6612FNG驱动芯片，这是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H 桥结构，VM电源电压最大支持15V，输出平均电流可达1.2A，峰值电流允许3.2A，导通电阻也只有0.5欧姆，内置过热保护和低压检测电路，PWM信号输入频率可允许100KHz 。

          相比L298N 的热耗性和外围二极管续流电路，TB6612FNG无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。

          TB6612FNG驱动芯片双通道电路输出，可同时驱动两个电机。两个电机的正负极分别接MA+，MA-和MB+，MB-。

         另外，当STBY处于高电平的时候，我们可利用芯片上的 IN1 和 IN2 这两个输入信号，选择 正转，反转，短路制动和停机四种模式的其中一种模式，真值表如下：

​

IN1	IN2	模式
0	1	反转
1	0	正转
1	1	短路制动
0	0	停机

​

点击这里查看TB6612FNG数据手册

另外电机上集成了霍尔编码器，因此接口中含有VCC_5V的电源为其供电。

1.4.SENSOR

    该部分为传感器相关电路。

    这里给大家介绍一款特别实用的芯片MPU6050。它是InvenSense公司推出的全球首个整合性6轴运动处理器件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二个IIC接口，可用于连接外部磁力传感器，利用数字运动处理器（DMP:Digital Motion Processor)硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。

         MPU-6050 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC（0~65535），将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的。

         MPU6050三个独立的振动MEMS速率陀螺仪，可检测旋转角度X轴，Y轴和Z轴。 当陀螺仪围绕任何感应轴旋转时，科里奥利效应就会产生电容式传感器检测到的振动。 所得到的信号被放大，解调和滤波产生与角速度成比例的电压。 该电压使用单独的片内数字化16位模数转换器（ADC）对每个轴进行采样。 陀螺仪传感器可以全面范围的被数字编程为每秒±250，±500，±1000或±2000度（dps）。 ADC样本速率可以从每秒8,000个采样点编程到每秒3.9个采样点，并且可由用户选择低通滤波器可实现广泛的截止频率。

         MPU6050的3轴加速度计为每个轴使用单独的检测质量。 加速沿着一条特定轴在相应的检测质量上引起位移，并且电容式传感器检测到该位移位移有差别。MPU6050的架构降低了加速度计的敏感度制造变化以及热漂移。 当设备放置在平坦的表面上时，将进行测量在X和Y轴上为 0g，在Z轴上为+ 1g。 加速度计的比例因子在工厂进行校准并且在名义上与电源电压无关。 每个传感器都有一个专用的sigma-delta ADC来提供数字输出。 数字输出的满量程范围可以调整到±2g，±4g，±8g或±16g。

详情点击这里查看MPU6050数据手册

1.5.CAMERA

     该部分为摄像头接口相关电路。

     FACTORY_RST为摄像头的配网按键脚，当需要重新配网时，长按S3按键，按提示操作即可。

     SPK+和SPK-需要接到摄像头的内置蜂鸣器。

     LED_RED和LED_GREEN为网络状态指示灯，当配上网络时，绿灯常亮，正在连接网络时，红灯绿灯交替闪烁。

1.6.BEEP

该部分为蜂鸣器电路。当巡逻摄像头正常工作时发出轻微的提示音，也会在低电量的时候进行声音报警。

点击这里查看完整原理图

点击这里查看完整PCB

2.摄像头单元

摄像头采用涂鸦智能出品的SC012-WD2摄像头，具体参数如下。

处理器	高性能DSP处理器
传感器类型	1/2.9英寸 CMOS
最大分辨率	200W 1080P
红外灯	圈灯，红外距离可达7米
日夜切换	IR-CUT自动切换
降噪	3D降噪
镜头焦距	4mm
视场角（对角）	94度
光圈	固定，F2.1
视频编码标准	H.264/MJPEG
视频码率	主码流（高清）：1.2Mbps；子码流（标清）：256Kbps
视频帧率	主码流（高清）：1080P@20fps；子码流（标清）：VGA@20fps
音频输入	1路 Mic
音频输出	1路 speaker
恢复默认	支持一键恢复默认
移动侦测	支持
SD卡存储	支持SD卡存储连续录像/事件录像，最大支持128G SD卡
涂鸦云存储	支持连续录像/事件录像
隐私模式	支持
移动侦测追踪	支持
连接方式	Wi-Fi IEEE 802.11 b/g/n 2.4 GHz
电源输入	DC 5V/2A
工作温度	-10～45度
工作湿度	≤95%

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3.动力单元

本方案采用聚合物锂电池和减速电机作为巡逻摄像头的动力。

锂聚合物电池，又称高分子锂电池，是一种化学性质的电池。相对以前的电池来说，具有能量高、小型化、轻量化的特点。锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合一些产品的需要，制作成不同形状与容量的电池。

电池规格，选择3S（11.1V），容量在2200mAH左右即可。

减速电机就是在直流电机基础上，增加一个高精密的减速器。一般直流电机的转速都是一分钟几千上万转的，增加减速器可以降低电机转速，增加电机扭矩，使得可控性更强。

选择减速电机的时候，电机的额定电压需要和我们选择的电池相匹配，常见的12V额定电压电机供电范围在11~16V之间，12V最佳。

这里推荐一款MG513P30_12V电机，这款电机额定电压为12V，1：30的减速比，额定输出电流为0.36A，减速后空载转速为366rpm左右，扭矩1kg*cm，可以允许3KG负载，再搭配65mm直径轮胎，速度大概1m/s，完全满足平衡小车的运动需求。

整机搭建

将上述硬件逐一搭建，便可以得到一个完整的微型巡逻摄像头。