基于網(wǎng)絡(luò)控制的移動監(jiān)控機(jī)器人的設(shè)計與研究

桂林電子科技大學(xué) 賀州學(xué)院 蘇南光

桂林電子科技大學(xué) 張華成

賀州學(xué)院 楊雄珍 賴麗萍

基于網(wǎng)絡(luò)控制的移動監(jiān)控機(jī)器人的設(shè)計與研究

桂林電子科技大學(xué) 賀州學(xué)院 蘇南光

桂林電子科技大學(xué) 張華成

賀州學(xué)院 楊雄珍 賴麗萍

移動機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在勘察和監(jiān)控功能場所，采用無線網(wǎng)絡(luò)的方式，移動機(jī)器的監(jiān)控和勘察不用受到有線的束縛，使得監(jiān)控系統(tǒng)的操作更具靈活。本文對移動機(jī)器人無線監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)行設(shè)計，介紹了上位機(jī)控制軟件、主控板控制、攝像頭視頻采集等幾個方面的設(shè)計與實現(xiàn)。通過實驗表明：設(shè)計的移動監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)，能應(yīng)用到監(jiān)控領(lǐng)域。

移動機(jī)器人；Arduino；視頻監(jiān)控；無線傳輸

0 引言

移動監(jiān)控機(jī)器人具有靈活的移動能力，并具有對周圍環(huán)境感知和視頻監(jiān)控的能力，廣泛應(yīng)用于樓宇、倉庫和家居，環(huán)境危險或惡劣情況中，代替操作人員進(jìn)入現(xiàn)場，主要通過移動機(jī)器人傳回的視頻圖像和環(huán)境參數(shù)，就能對現(xiàn)場作出清晰的判斷。隨著嵌入式技術(shù)的進(jìn)步，移動監(jiān)控機(jī)器人的研究及實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)入了全新的發(fā)展階段[1]。在自動化和機(jī)械制造領(lǐng)域，各種各樣的自動化控制儀器等設(shè)備進(jìn)行集中互聯(lián)起來已經(jīng)成為發(fā)展趨勢[2]。如果利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將加工設(shè)備、機(jī)器人及現(xiàn)場控制系統(tǒng)等連接起來，就可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的自動化。所以將機(jī)器人的控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合將具有非常重要的理論研究意義和廣泛的應(yīng)用前景[3-7]。

本文通過模塊化、結(jié)構(gòu)化等硬件設(shè)計思想，設(shè)計了能根據(jù)實際情況需要，隨時安裝不同功能的傳感器，并實現(xiàn)了具有無線網(wǎng)絡(luò)通信能力的移動監(jiān)控機(jī)器人。為了監(jiān)控移動機(jī)器人的速度信息、路面運行動態(tài)狀況、舵機(jī)信息、電機(jī)信息等實時運行情況，必須采集到移動機(jī)器人的相關(guān)狀態(tài)信息及運行的動態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)接收到移動機(jī)器人前端信息，實時判斷移動機(jī)器人的狀態(tài)，上位機(jī)經(jīng)過判斷后，向移動機(jī)器人發(fā)出指令，可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如速度、加速度和運動方向等。實現(xiàn)了遠(yuǎn)端遙控現(xiàn)場機(jī)器人的運動，設(shè)計能方便的、人性化的移動監(jiān)控機(jī)器人，可以使我們及時地收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理。可見，移動機(jī)器人的開發(fā)，具有非常實際并有著極大使用意義[8]。

1 移動監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要包含下位機(jī)移動機(jī)器人硬件部分和上位機(jī)控制部分。對于下位機(jī)的設(shè)計包括了Arduino主控板和網(wǎng)絡(luò)攝像頭等部分，其中Arduino主控板主要用于收集各類傳感器的信息、對舵機(jī)、直流電機(jī)的控制功能；網(wǎng)絡(luò)攝像頭主要用于視頻信息采集。上位機(jī)控制部分，接收下位機(jī)傳遞上來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過PC端控制軟件，向下位機(jī)發(fā)出控制信息，同時可控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭，獲取網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻信息，以及對攝像頭采集的信息進(jìn)行軟件處理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計步驟：(1)根據(jù)設(shè)計要求，確定控制方案。(2)利用Altium Designer設(shè)計合理的硬件原理圖。(3)畫出程序流程圖，使用C#語言進(jìn)行編程，運用Arduino進(jìn)行模擬調(diào)試。(4)將各元件焊接在PCB板上，并將程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)。(5)進(jìn)行調(diào)試以實現(xiàn)控制功能。

2 移動監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)硬件平臺搭建

移動監(jiān)控機(jī)器人主要由Arduino UNO R3主控板電路、Robot-Link V4.0 AR WIFI模塊、L298N驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、小車底板、電源模塊等組成[9]。其控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 Arduino主控板電路

Arduino UNO R3主控板采用ATMEGA328P芯片作為控制單元。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple I/O接口板（包括12通道數(shù)字GPIO，4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java，C語言的IDE集成的硬件和軟件。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本。

2.2 無線WiFi路由模塊

由模塊采用的處理芯片是MT7620N，此路由器是OpenWRT系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，常常被用于工控設(shè)備、電話、小型機(jī)器人、智能家居、路由器以及VOIP設(shè)備中。該路由模塊可作為轉(zhuǎn)發(fā)站，實現(xiàn)USB攝像頭的加載及與單片機(jī)的串行通信。

2.3 視頻采集系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)共分為視頻采集系統(tǒng)、云臺鏡頭控制系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)以及視頻處理系統(tǒng)。視頻監(jiān)控技術(shù)采用基于嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)，該技術(shù)具有體積小、穩(wěn)定性高、無序現(xiàn)場值守、實時性好且結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。其工作過程為通過安裝在下位機(jī)的機(jī)器人上安裝攝像頭，攝像頭采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，上傳到上位機(jī)處理后，能實時地完成對現(xiàn)場情況的監(jiān)控，并對其信息作出相應(yīng)處理，特別是有異常情況發(fā)生時，能快速、實時地作出反應(yīng)，幫助操作者提供正確的決策。

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片。L298N具有高電壓、大電流、響應(yīng)頻率高的全橋驅(qū)動芯片，一塊L298N可以分別控制四個直流電機(jī)，并且?guī)в锌刂剖鼓芏?。該電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動能力強(qiáng)、操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。L298N的使能端可以外接電平控制，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，滿足各種復(fù)雜電路的需要。L298N是內(nèi)部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動芯片，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)。另外，L298N的驅(qū)動功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠的問題[10]。

2.5 電源模塊

由2200mAh 7.4 8A 保護(hù)板鋰電池組成。通過7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，通過0.1uF和470μF電容進(jìn)行濾波。

3 系統(tǒng)下位機(jī)以及上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)控制程序采用C#語言進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)通過Robot-Link V4.0 AR WIFI 模塊對下位機(jī)發(fā)送指令以及接收。同時也通過Wireless Module傳輸云臺的圖像信號到上位機(jī)的圖像顯示窗口。

上位機(jī)PC用戶端運行在控制端的控制程序，首先要建立服務(wù)器等待響應(yīng)端的連接請求,在連接成功后則需要完成如圖3所示功能。PC遠(yuǎn)程控制端軟件總體功能，主要包含視頻圖像解碼顯示、數(shù)據(jù)處理和顯示、控制信息數(shù)據(jù)的發(fā)送等部分。

圖3 PC控制終端總體功能框圖

下位機(jī)Arduino主控板采用Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)。因為Arduino的種種優(yōu)勢，越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者已經(jīng)或開始使用Arduino來開發(fā)他們的項目、產(chǎn)品；越來越多的軟件開發(fā)者使用Arduino進(jìn)入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)領(lǐng)域。

下位機(jī)是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要工作為收集各傳感器數(shù)據(jù)，按照相關(guān)協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，從串口發(fā)送到上位機(jī)的服務(wù)器，同時接收上位機(jī)控制信息，通過接收串口命令、解析串口命令、驅(qū)動硬件，直接控制各個外部設(shè)備和傳感器，其運行于單片機(jī)上，主要程序流程如圖4所示。正常工作情況下，程序循環(huán)執(zhí)行，接收命令、解析命令、執(zhí)行命令、返回結(jié)果，根據(jù)控制命令設(shè)置 PWM 參數(shù)，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制機(jī)器人運動速度和方向。

圖4 下位機(jī)程序執(zhí)行流程

圖5 移動監(jiān)控機(jī)器人實物圖

4 系統(tǒng)測試

基于機(jī)械設(shè)計、硬件選擇、移動機(jī)器人原型的照片是在我們實驗室開發(fā)。移動監(jiān)控機(jī)器人實物如圖5所示。機(jī)器人的機(jī)制實現(xiàn)使用四個固定輪子由四個直流電機(jī)控制。Arduino UNO R3單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號控制的速度和方向。機(jī)器人是由給定的命令驅(qū)動在電腦系統(tǒng)軟件和關(guān)鍵算法運行。慣性傳感器、無線攝像機(jī)和直流電機(jī)安裝在機(jī)器人。系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對各部分反復(fù)進(jìn)行測試，從測試過程中發(fā)現(xiàn)可能存在問題，為下次設(shè)計的改進(jìn)提高依據(jù)，系統(tǒng)測試步驟也是驗證設(shè)計是否滿足要求。系統(tǒng)測試主要測試系統(tǒng)的硬件部分、軟件部分和控制部分，測試結(jié)果保證系統(tǒng)硬件滿足運行環(huán)境；測試軟件看是否正常啟動；測試控制端看是否正常響應(yīng)用戶操作、是否發(fā)出正確控制命令和解析視頻數(shù)據(jù)，最后測試通訊協(xié)議和系統(tǒng)的實時性，看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確實時傳輸。

系統(tǒng)硬件測試上電后，檢查系統(tǒng)電壓、各模塊電壓是否正常；查看電壓電路的系統(tǒng)電壓是否存在短路情況，測試系統(tǒng)電壓是否為5V電壓等。軟件調(diào)試主要是將下位機(jī)控制部分程序燒入單片機(jī)，并直接將單片機(jī)串口轉(zhuǎn)接到PC，通過PC上的串口調(diào)試助手按協(xié)議發(fā)送控制命令，調(diào)試系統(tǒng)控制部分?？刂破魇欠衲苷＝馕雒畈⒎祷卣埱髷?shù)據(jù)。

將開發(fā)好的上位機(jī)軟件在PC電腦中安裝，然后將網(wǎng)絡(luò)連接到機(jī)器人的無線“熱點”，這樣將上位機(jī)控制端、機(jī)器人端組成無線局域網(wǎng)絡(luò)；再在控制端界面中，將設(shè)置機(jī)器人的IP地址和端口號，上位機(jī)控制端和機(jī)器人了解成功后，在監(jiān)控界面就能顯示機(jī)器人采集是視頻圖像，正常的實時視頻圖像如圖6所示。測試發(fā)送運動控制命令是否正常，視頻錄制和圖片保存是否正常。

圖6 實時視頻圖像

5 總結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于網(wǎng)絡(luò)控制的移動監(jiān)控機(jī)器人，并介紹了硬件和軟件的實現(xiàn)過程。具體工作內(nèi)容包括：

⑴分析了機(jī)器人技術(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展迅速的嵌入式技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種的移動監(jiān)控機(jī)器人。

⑵完成了機(jī)器人硬件電路的設(shè)計和調(diào)試工作。搭建起了紅外線傳感加超聲波 模塊化的移動監(jiān)控機(jī)器人硬件開發(fā)平臺。

⑶對整個系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件測試，測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

⑷實現(xiàn)機(jī)器人在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運動。

⑸保留了擴(kuò)展功能。機(jī)器人小車在完成設(shè)計預(yù)想的前提下，主要考慮了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單化，使之更具有普及性。由于設(shè)計要求并不復(fù)雜，沒有在電路中增加冗余的功能，保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴(kuò)展和進(jìn)一步的開發(fā)。

[1]Kovadic,Z.,Cukon,M.,Brkic,K.,et al,”Design and control of a four-flipper tracked exploration&inspection robot”,Control&Automati on(MED),2013 21st Mediterranean Conference on,2013,pp.7-12.

[2]Kasim M.Al-Aubidy,Mohammed M.Ali,Ahmad M.Derbas,et al,”GPRS-Based Remote Sensing and Teleoperation of a Mobile Robot”,10th International Multi-Conference on Systems,Signals and Devices(SSD),Hammamet,Tunisia,2013,pp.1-7.

[3]Marin,L.,Valles,M.,Soriano,A.,et al,”Event-Based Localization in Ackermann Steering Limited Resource Mobile Robots”,Mechatronics,IEEE/ASME Transactions on,vol.19,no.4,2014,pp.1171-1182.

[4]Han Xiao,Payandeh,S.,”Experimental design and analysis in kinematic-based localization in wireless mobile platform network”,Systems Conference(SysCon),2012 IEEE International,2012,pp.1-6.

[5]Dey,G.K.;Hossen,R.;Noor,M.S.,et al,”Distance controlled rescue and security mobile robot”,Informatics，Electronics&Vision(ICIEV),2013 International Conference on,2013,pp.1-6.

[6]Guangming Song,Kaijian Yin,Yaoxin Zhou,et al,”A surveillance robot with hopping capabilities for home security”,Consumer Electronics,IEEE Transactions on,vol.55,no.4,2009,pp.2034-2039.

[7]Sourangsu Banerji,”Design and Implementation of developed an Unmanned Vehicle using a GSM Network with Microcontrollers”,International Journal of Science,Engineering and Technology Research(IJSETR)Volume 2,Issue 2,2013,pp.367-374.

[8]Schmid,K.,Hirschmuller,H.,”Stereo vision and IMU based real-time ego-motion and depth image computation on a handheld device”,Robotics and Automation(ICRA),2013 IEEE International Conference on,2013,pp.4671-4678.

[9]Schwartz,F.P.,Benac,C.,Rocha,V.R.S.,et al,”Microcurrent Stimulation Device Controlled by ATMEGA328P-PU Chip and Android App”,2016 Global Medical Engineering Physics Exchanges/Pan American Health Care Exchanges(GMEPE/PAHCE),2016.

[10]Derbas,A.M.,Al-Aubidy,K.M.,Ali.et al,”Multi-robot system for real-time sensing and monitoring”,15th International Workshop on Research and Education in Mechatronics(REM),El Gouna,Egypt,2014,pp.1-6.

Design and Implement of Mobile Monitoring Robot Based on net control

Nangguang Su1,2，Huacheng Zhang1，Xiongzhen Yang2，Liping Lai2

（1Guilin University of Electronic Technology，Guilin，China2Hezhou University，Hezhou，China asunanguang00@163.com）

The mobile robot system can actually be applied to some of the places reconnaissance and monitoring，and the use of wireless networks，making the operating system more flexible，so that movement of the machine by monitoring and investigation without the shackles of cable.In this paper，we present the design and implementation of a mobile system with wireless for remote monitoring and control.It was composed of multiple sensors，control board，camera video capturer and wireless communication module.The robot prototype was manufactured and experimented.Experiment results of typical cases verified its flexibility and reliability.

Mobile Robot；Arduino Platform；Video Monitoring；Wireless Transmission

2015年廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“地方高?？破談?chuàng)新工作模式研究與平臺建設(shè)（項目編號： 2015ED31077）”；賀州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重點危險源監(jiān)管模式研究（賀科攻1707041）”；2017年校級科研項目“具有可信增強(qiáng)功能的能源監(jiān)控系統(tǒng)與管理研究（2017ZZZK03）”。

蘇南光（1989—），廣西岑溪人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于桂林電子科技大學(xué)。

張華成（1970—），湖南寧遠(yuǎn)人，高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)工程。

楊雄珍（1966—），女，廣東信宜人，賀州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院院長、副教授，主要研究方向：物理學(xué)。

賴麗萍（1976—），江西定南人，助理研究員，主要研究方向：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。