基于樹莓派的代理機器人系統(tǒng)

翁　碩

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建福州　350000；2.福建省僑興輕工學(xué)校，福建福清　350301）

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基于樹莓派的代理機器人系統(tǒng)

翁碩1，2

（1.福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建福州350000；2.福建省僑興輕工學(xué)校，福建福清350301）

摘要：為了彌補家庭服務(wù)從業(yè)人員的不足，解決中國的老齡化問題，本文提出了基于樹莓派的代理機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對家居環(huán)境參數(shù)的采集，建立代理機器人與遠程用戶的連接，實現(xiàn)信息反饋和控制。

關(guān)鍵詞：樹莓派；機器人系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)傳輸

根據(jù)第6次全國人口普查數(shù)據(jù)，老齡化社會正在成為中國的現(xiàn)實。對老齡化國家來說，采用何種方式養(yǎng)老是非常重要的問題。在中國，絕大部分老年人都要通過居家養(yǎng)老度過自己的晚年。如果居家養(yǎng)老要雇傭?qū)ｉT的服務(wù)人員，這就會與老齡化社會勞動力緊張形成矛盾。另外由于生活節(jié)奏的加快和工作的壓力，也使得年輕人沒有更多時間陪伴自己的孩子。面對這一困境，本課題設(shè)計了集保安、家居助理為一體的代理機器人進入家庭，讓機器人來彌補服務(wù)從業(yè)人員的不足，為解決中國的老齡化問題做出貢獻。

1　系統(tǒng)框架

首先根據(jù)實際需求設(shè)計總體的電路結(jié)構(gòu)，劃分功能模塊。按照整體結(jié)構(gòu)圖進行硬件方面的制作，選用樹莓派作為ARM主板，并安裝Linux系統(tǒng)，如ArchLinux；為樹莓派安裝開發(fā)語言環(huán)境，如C（gcc）、Java（jre）；配置系統(tǒng)確保啟動時加載相應(yīng)外部組件驅(qū)動，連接WIFI，運行指定程序。而開發(fā)程序過程則包括坐標(biāo)管理系統(tǒng)、聲音、圖像采集和壓縮系統(tǒng)、感應(yīng)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和尋路算法等。

2　硬件設(shè)計

基本硬件組成將由以下內(nèi)容構(gòu)成:①基于樹莓派構(gòu)架計算機系統(tǒng)，具備計算、存儲、輸入、輸出能力。②連接攝像頭和MIC滿足音頻視頻傳輸，連接溫濕度感應(yīng)器、全像紅外、和LCD顯示屏等組件完成交互的需求。③連接可充電鋰電池以滿足能量需求。④電機驅(qū)動板L298N連接驅(qū)動輪，以滿足移動的需求。⑤無線網(wǎng)卡、GSM模塊，無線路由。

（1）樹莓派。樹莓派即Raspberry Pi，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有兩個USB接口和一個網(wǎng)口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。

（2）電機驅(qū)動L298N。L298N是一款用來驅(qū)動直流電機或者步進電機的芯片，其工作電壓高，工作電流大，工作電壓最高可達46V，瞬間輸出最大電流為3A。L298N內(nèi)部集成了兩個H橋式驅(qū)動器，可以很方便的驅(qū)動直流電機或者步進電機。它提供四個信號引腳以及兩個使能控制端，在本系統(tǒng)中，四個信號控制引腳可以通過邏輯電平來控制。

3　軟件設(shè)計

機器人硬件方面的設(shè)計是實現(xiàn)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)的軟件設(shè)計則是機器人控制系統(tǒng)的靈魂。本課題的軟件部分可分為以下幾個部分進行實現(xiàn)。

（1）移動控制部分。機器人的控制系統(tǒng)要求可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的可擴展性、硬件可裁剪性。本課題中移動控制芯片采用電機驅(qū)動芯片L298N來實現(xiàn)電機的運動控制。微處理器控制兩邊轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動以達到對輪式機器人運動方向的控制。

（2）運算部分。因為視頻、音頻和各電機的控制需要一個具備運算能力的裝置，經(jīng)過多方考察比較，決定采用英文的樹莓派來解決這個問題。

（3）交互部分?；跇漭蛇\行Linux系統(tǒng)，而基于該系統(tǒng)開發(fā)運行我們的程序，就能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的環(huán)境信息、視頻和音頻信號經(jīng)軟件算法運算后發(fā)送至控制方；并實現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)接收控制方指令并解析、應(yīng)用，以實現(xiàn)機器人的移動、轉(zhuǎn)向，調(diào)整亮度等等指令。

（4）網(wǎng)絡(luò)部分。因為雙方的設(shè)備都可能有前置路由器進行了NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換），致使受控和控制方無法直接建立數(shù)據(jù)連接，需要借用UPNP解決。以UDP協(xié)議傳輸，相對于穩(wěn)定的TCP而言，UDP不必維持穩(wěn)定的連接，對方可以短時間不在線（例如網(wǎng)絡(luò)從WIFI切換到3G或WIFI信號干擾嚴(yán)重或擁擠）。

（5）視頻傳輸部分。因為雙方的網(wǎng)絡(luò)可能非穩(wěn)定（WI FI、GPRS），因此需要一個非流式圖形協(xié)議，為此我們開展了研究，希望研制出允許數(shù)據(jù)包丟失的塊式視頻壓縮算法，解決這個問題。

對于我們的代理機器人，在使用者都擁有更高等級的運算能力的設(shè)備中使用時，系統(tǒng)會自行實現(xiàn)JPEG算法對每幀進行獨立編碼并傳輸，這種方式能夠在語音優(yōu)先的環(huán)境中確保圖像幀以可接受大量丟失的方式工作，類似于MotionJPEG。該方式實現(xiàn)的通信各端無需維持上幀數(shù)據(jù)也無需象H264那樣維持關(guān)鍵幀，在網(wǎng)絡(luò)不擁擠的任何時候接受到任何一幀都能夠正常還原最新圖像情況。

（6）音頻傳輸部分。因為雙方的網(wǎng)絡(luò)可能非穩(wěn)定（WI FI、GPRS），因此需要一個非流式音頻協(xié)議，為此我們開展了研究，希望研制出一種非流式短幀音頻算法或者經(jīng)過多方試驗得出使用G711算法，解決這個問題。能夠自行實現(xiàn)的針對PCM語音數(shù)據(jù)的ITU- TG711語音壓縮算法，G711為復(fù)雜度最低的語音壓縮算法，在任一使用者存在低運算能力設(shè)備時，此算法將被系統(tǒng)激活。該算法擁有較高的聲音質(zhì)量但網(wǎng)絡(luò)帶寬占用較高，為最弱匹配算法。

4　結(jié)語

智能服務(wù)機器人進入家庭提供家庭安防、兒童娛樂教育、老人關(guān)照等多方面的服務(wù)是所有人的期望，也是公認(rèn)的未來。本課題結(jié)合硬件制作和軟件調(diào)試等操作制作代理機器人，滿足了人們看顧和監(jiān)管家里的需求，彌補了社會在代理機器人這方面的不足。

參考文獻

［1］嵇鵬程，沈惠平.服務(wù)機器人的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.常州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，（6）：73-78.

［2］程寧波.基于GSM和ARM的家庭服務(wù)移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007.

［3］孫宏宇.基于ARM的輪式機器人控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

Surrogate Robot System Base on Raspberry Pi

WENG Shuo1，2
（1.School of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350000，China；2.Fujian QiaoXing School of Light Industry，F(xiàn)uqing，F(xiàn)ujian 350301，China）

Abstract:In order to make up for thedificiency of domestic service workers，solve the aging problem in China，This paper introduced a surrogate robot system base on Raspberry Pi.The system achieved the collection of the parameters related to household environment，established the link between the surrogate robot and the remote users，and achieved the feedback and control of information.

Key words:Raspberry Pi；robot system；network transmission

作者簡介：翁碩（1981-），女，高級講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)的研究工作。

收稿日期：2016-01-12

中圖分類號：TP241

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0061-02