基于物聯(lián)網(wǎng)的移動機器人綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計

楊 亮, 李文生, 鄧春健, 楊偉鈞

(1. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2. 廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

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·實習(xí)與實訓(xùn)·

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動機器人綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計

楊 亮1, 李文生1, 鄧春健1, 楊偉鈞2

(1. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2. 廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

以提高電子信息類專業(yè)學(xué)生綜合應(yīng)用能力為目標(biāo)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動機器人綜合實訓(xùn)平臺，該平臺由移動機器人系統(tǒng)和手機控制端兩部分組成，其中移動機器人系統(tǒng)能夠完成自動避障、煙霧檢測、紅外線感應(yīng)、視頻捕獲等功能，通過手機可以實現(xiàn)移動機器人的遠程控制、視頻監(jiān)控。文章詳細闡述了實訓(xùn)平臺各功能模塊的具體實現(xiàn)，并給出了相關(guān)功能驗證結(jié)果。該平臺綜合了電子、自動化、機電、計算機等專業(yè)知識，既有具體專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用背景，又有較好的趣味性，通過綜合實驗案例的設(shè)計，將物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器、移動應(yīng)用軟件開發(fā)等專業(yè)知識點融入到具體生動的實訓(xùn)項目中，實踐表明該平臺有助于讓學(xué)生更好地理解電子信息類專業(yè)知識并提高其綜合應(yīng)用能力。

移動機器人； 綜合實訓(xùn)平臺； 物聯(lián)網(wǎng)； 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

大學(xué)電子信息類課程具有邏輯性強同時也相對晦澀難懂的特點，這給大學(xué)電子信息類的課堂教學(xué)提出了較大挑戰(zhàn)[1]，設(shè)計與專業(yè)知識聯(lián)系緊密且擁有良好應(yīng)用背景，并具有一定趣味性的實驗是有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、將學(xué)生注意力吸引在課堂和實驗室的有效方法。另一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)在通信、消費電子、醫(yī)療儀器、航天航空等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2-3]，市場對于專業(yè)技術(shù)人員的要求也越來越高，要求掌握的專業(yè)技術(shù)所涉及的知識面越來越廣，對于新興的技術(shù)需求量也越來越大，例如移動設(shè)備應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，如何設(shè)計具有較強的應(yīng)用背景與綜合性的實驗已成為高等教育中需要解決的重要問題之一。

移動機器人是集自動控制、動態(tài)規(guī)劃與決策、環(huán)境感知等多功能于一體的綜合性系統(tǒng)[4]，涉及計算機、電子、機械、人工智能等多門學(xué)科，反映了一個國家的智能化和自動化研究水平，是一個國家高科技實力的重要標(biāo)志[5]，另一方面，具有實時追蹤、感知、監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)機器人系統(tǒng),在反恐、軍事偵察、還有工業(yè)生產(chǎn)線等方面有非常廣闊的發(fā)展空間[6]，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,將機器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢之一[7-8]，同時機器人為創(chuàng)新素質(zhì)教育提供了一個最佳的平臺[9]。

本項目充分利用移動機器人涉及多學(xué)科且具有一定趣味性及綜合性的特點，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動機器人綜合實訓(xùn)平臺建設(shè)方案，該實訓(xùn)平臺綜合了電子、自動化、機電、計算機等專業(yè)的知識，將物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器、移動應(yīng)用軟件開發(fā)等專業(yè)知識點融入到具體生動的實訓(xùn)項目中。

1 移動機器人綜合實訓(xùn)平臺總體設(shè)計

移動機器人綜合實訓(xùn)平臺主要由基于Android系統(tǒng)的智能控制終端及移動機器人系統(tǒng)組成，其中移動機器人采用四輪移動模式，包括3個子系統(tǒng)，分別是機器人控制子系統(tǒng)、機器人傳感器子系統(tǒng)、機器人車體子系統(tǒng)。其整體系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

其中機器人車體子系統(tǒng)，主要是指移動機器人車體機械部分，包括電機、輪子(或履帶)等。機器人傳感器子系統(tǒng)主要完成視頻、溫度、距離等數(shù)據(jù)的采集，包含攝像頭、超聲波傳感器、紅外溫度傳感器等。機器人控制子系統(tǒng)主要實現(xiàn)機器人的接收與控制，包括ARM6410控制板及ARV單片機電機驅(qū)動板等部分。

為降低系統(tǒng)之間的耦合，采用ARM6410為移動機器人系統(tǒng)的主控芯片，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成圖像信息的采集及無線通信功能，而具體的電機控制、傳感器信息采集則選用AVR Mega16單片機為控制芯片，其功能模塊架構(gòu)圖如圖2所示。

ARM6410與AVR Mega16單片機之間通過RS232接口進行控制信息的傳遞，ARM6410上面運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，負責(zé)驅(qū)動攝像頭，完成圖像信息的采集、編碼，傳輸?；贏ndroid系統(tǒng)的智能控制終端則可通過無線局域網(wǎng)完成對機器人的控制、查詢功能，例如通過智能終端發(fā)送控制信息，可以達到控制移動機器人的目的，如機器人的移動、傳感器信息的采集、舵機的遠程控制等功能。

2 移動機器人綜合實訓(xùn)平臺設(shè)計

2.1 機器人車體子系統(tǒng)設(shè)計

機器人車體子系統(tǒng)是移動機器人綜合實訓(xùn)平臺的主體機構(gòu)，也是承載移動機器人其他各子系統(tǒng)及完成各種動作的物理實體。為適應(yīng)不同專業(yè)背景的個性化需求，開發(fā)了具有不同運動特點的機器人車體系統(tǒng)：

(1) 四輪驅(qū)動型移動機器人車體。這是較為常見的一種車體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，采用4個電機分別控制4個輪子，通過控制4個輪子的速度及方向?qū)崿F(xiàn)機器人的快速運動。

輪式機器人控制系統(tǒng)用途廣泛、適應(yīng)能力強,體積輕便小巧[10]。系統(tǒng)平臺采用了 Linux,使得移動機器人的實時、幵放性能得到了很大的改善[11]。這種車體結(jié)構(gòu)便于控制，車體內(nèi)有更多空間，能夠容納諸如控制板、電池、電機、傳感器等設(shè)備，甚至可將無線路由器部署在小車上，提供一個可以“移動”的WiFi網(wǎng)絡(luò)。

(2) 履帶型移動機器人車體。為了能夠擁有更強的越障能力，我們設(shè)計了履帶型移動機器人車體，利用高強度的鋁合金進行加工并制成模型，擁有良好的散熱排氣孔設(shè)計，具有體積小、便于攜帶、續(xù)航時間長、越障能力突出等優(yōu)點。(見圖4)。

圖3 四輪驅(qū)動移動機器人車體實物圖

圖4 履帶型移動機器人車體實物圖

2.2 機器人傳感器子系統(tǒng)設(shè)計

通過靈活安裝載傳感器，實現(xiàn)與周圍環(huán)境的交互。在傳感器子系統(tǒng)中，為降低與機器人控制子系統(tǒng)的耦合程度，采用AVR meg16單片機為主控芯片，通過傳感器采集包括距離、溫度等環(huán)境信息，并通過RS232串口傳輸給機器人控制子系統(tǒng)。下面對各傳感器各功能進行描述。

(1) 超聲波測距模塊。超聲波測距模塊主要是為了避免機器人在遇到障礙物時用戶來不及控制而導(dǎo)致機器人碰壁的現(xiàn)象，防止硬件遭到碰撞受損，延遲機器人的使用壽命。開啟超聲波測距后用戶可以通過修改其頻率來改變檢測距離。當(dāng)在指定距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)障礙物，單片機隨即發(fā)送該信息給上層系統(tǒng)，上層系統(tǒng)提示用戶進行轉(zhuǎn)向，若不進行轉(zhuǎn)向機器人將停止行動。

(2) 煙幕檢測模塊。煙幕檢測模塊具有繼電器控制輸出；帶電平檢測信號輸出可有效控制報警；供電副本直接用DC9V電池供電；感應(yīng)靈敏度高，誤報率極低。當(dāng)煙霧檢測傳感器指示燈開始閃爍，繼電器吸合，表明煙霧濃度已超過正常值，3秒左右指示燈開始閃爍，繼電器吸合，當(dāng)AVR Mega16單片機從I/O口讀取到低電平，此時觸發(fā)異常中斷，即發(fā)出蜂鳴報警，并將危險信息通過RS232接口傳給ARM6410主控芯片。

(3) 紅外人體感應(yīng)檢測模塊。人體感應(yīng)是一種利用紅外線、熱釋電原理感應(yīng)溫度變化信息的新技術(shù)，能自動準(zhǔn)確的識別、檢測和感應(yīng)包括人體在內(nèi)的有熱度變化的信息，它不依賴光線，哪怕是在漆黑的環(huán)境里，也能穩(wěn)定可靠的工作。利用該紅外人體感應(yīng)檢測模塊完成對人類活動的檢測功能，該功能可以用于救災(zāi)場景中，如在一些危險的環(huán)境中，該機器人可為搜救被困人員提供參考信息。

在傳感器子系統(tǒng)中，可以適時引入物聯(lián)網(wǎng)中感知層的概念，設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)相關(guān)的實驗，如溫度、濕度、甲烷氣體濃度等信息的采集實驗、單片機編程等實驗，并引導(dǎo)學(xué)生思考，如何實現(xiàn)物與物之間的通訊與聯(lián)系。

2.3 機器人控制子系統(tǒng)設(shè)計

機器人控制子系統(tǒng)相當(dāng)于機器人的“大腦”，采用ARM6410作為主控芯片，上面運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要完成控制命令的解析與傳遞、圖像信息的采集、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。

(1) 圖像信息采集模塊。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，首先借助Linux平臺下的驅(qū)動正確識別并驅(qū)動usb攝像頭，利用Linux操作系統(tǒng)自帶的v4l2接口完成圖像信息的采集，并移植開源Jrtplib庫實現(xiàn)圖像信息的RTP發(fā)送與接收功能。

(2) 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊?？紤]到平時實驗的具體情況，本平臺采用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為主要的通訊媒介，同時也提供RJ45接口作為備用方案。為達到靈活的硬件配置，采用usb網(wǎng)卡，并設(shè)置腳本，自動完成WiFi網(wǎng)絡(luò)的注冊登錄。

(3) 電機控制模塊。為實現(xiàn)真正的四輪驅(qū)動，本平臺采用AVR Mega16單片機控制經(jīng)由L298P芯片控制四個電機，以達到分別驅(qū)動四個輪子的目的。軟件上，為實現(xiàn)電機速度的控制，采用定時器中斷方式輸出PWM，通過調(diào)整占空比達到控制電機速度的作用。

(4) 舵機控制模塊。舵機相當(dāng)于機器人的“肌肉”，可以完成物體的夾取等功能。本平臺采用AVR Mega16單片機來控制舵機的轉(zhuǎn)動，控制原理類似電機控制模塊，也是通過輸出PWM波，調(diào)整占空比控制電機的轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到AVR單片機控制電路板，進行反饋，然后AVR單片機控制板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標(biāo)停止。

另外，還可加入usb 3G上網(wǎng)卡，引導(dǎo)學(xué)生將3G上網(wǎng)卡移植到嵌入式Linux平臺，開展Linux驅(qū)動程序編寫、移植等相關(guān)的教學(xué)實踐。在網(wǎng)絡(luò)方面，可以適時引入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，Zigbee是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)。在工業(yè)控制、家庭智能化以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面有廣泛的應(yīng)用前景[12-13]，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)及自學(xué)能力。

2.4 基于Android系統(tǒng)的智能控制終端設(shè)計

為實現(xiàn)良好的人機接口，遠程控制機器人的移動、信息采集、控制等功能，我們基于Android平臺設(shè)計了一個智能控制終端軟件，該軟件能夠運行在Android系統(tǒng)下，能夠運行在各種Android設(shè)備上，如Android智能手機、平板電腦等，其使用界面，如圖5所示。

圖5 遠程控制終端使用界面

通過該控制界面，可以選擇打開或關(guān)閉人體感應(yīng)檢測及超聲波檢測等功能，并實現(xiàn)遠程控制機器人的移動速度及方向，實時查看攝像頭捕獲的圖像信息等功能。

該部分可引導(dǎo)學(xué)生做移動應(yīng)用開發(fā)等方面的擴展實驗，如通過智能手機自帶的陀螺儀、加速度計等傳感器檢測實現(xiàn)機器人的遠程動作控制，例如，將智能手機傾斜一定的角度，可以控制機器人移動的速度與方向，該部分實現(xiàn)能夠很好的將移動應(yīng)用開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)、軟件工程等課程內(nèi)容融合在一起，通過實驗的方式鍛煉、提高學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力。

3 結(jié) 語

大學(xué)電子信息類課程具有較強的理論性和專業(yè)性，綜合性很強，內(nèi)容相對抽象，因此設(shè)計與知識點聯(lián)系緊密，又具有良好的應(yīng)用背景與趣味性的實驗就顯得尤為重要，再有在針對具體實驗內(nèi)容進行設(shè)計時，除

了保證學(xué)生必須掌握的實驗科目外，盡量減少對于實驗內(nèi)容的限制，突出設(shè)計方法、設(shè)計思路的養(yǎng)成[14]。

實踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，鼓勵創(chuàng)新和重視實踐是創(chuàng)新教育的關(guān)鍵[15]。本文借用了移動機器人的趣味性與綜合性，將其引入綜合實訓(xùn)平臺的建設(shè)中，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動機器人綜合實訓(xùn)平臺的建設(shè)方案，該綜合實訓(xùn)平臺目前已被應(yīng)用于本院“嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析有應(yīng)用”、“嵌入式軟件開發(fā)”、“移動設(shè)備應(yīng)用軟件開發(fā)”等課程的實驗及課程設(shè)計中。試用表明，該平臺不但有利于提高學(xué)生基礎(chǔ)知識的理解，并有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的動手能力，同時，也為學(xué)生完成創(chuàng)新性綜合實驗創(chuàng)造了條件。

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The Design of Mobile Robot Experimental Platform Based on Internet of Things

YANGLiang1,LIWen-sheng1,DENGChun-jian1,YANGWei-jun2

(1. Department of Computer Science, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402,China; 2. Department of Electromechanical Engineering, Guangzhou City Polytechnic, Guangzhou 510405, China)

In order to improve the electronic and information engineering students' application ability, a mobile robot experimental platform based on internet of things has been designed. This platform consists of two parts: mobile robot system and phone client. The mobile robot system has the features of obstacle avoidance, gas detection, infrared perception and video capture, and can be controlled remotely via phone clients. A detailed explanation about the implementation of this platform has been provided and the related experiment result is given. This platform has covered almost all information technology related subjects including electronics, automation, mechanical electronic engineering and computer science. And the professional knowledge can be merged into the experiment via comprehensive experiments. The practice has proved that this platform can help students to have a better understanding about techniques of learning and using professional knowledge.

mobile robot; experimental platform; internet of things; embedded system

2014-04-21

全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013年度課題及子課題(136240994，136240994-0002);廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2012年度課題(2012JK004);廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目;廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃(2013LYM0104);廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度課題(12A169);中山市科技計劃項目(2013A3FC0278);電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程項目(ZLGC2012JY04,ZLGC2012JY01)

楊 亮(1980-)，男，江西婺源人，碩士，講師，研究方向：智能機器人系統(tǒng)與技術(shù)。

Tel.：18688104346；E-mail: alex.8341@qq.com

G 642；TP 242

A

1006-7167(2015)03-0233-04