基于4G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制研究

王賽 劉子龍

摘 要：為解決移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制終端不便捷問題，提出基于4G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制監(jiān)控系統(tǒng)，使用Android手機(jī)客戶端通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控;以TCP與UDP協(xié)同作用的方式對(duì)控制命令和圖像信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，Android智能手機(jī)終端可實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻監(jiān)控，并遠(yuǎn)程控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程控制更加便捷，應(yīng)用范圍更廣。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);4G模塊;香橙派;TCP;UDP;Android手機(jī)

0 引言

智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注[1]，無線通信技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面得到廣泛應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究較多：文獻(xiàn)[2-6]設(shè)計(jì)了基于3G網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方案，但是傳輸?shù)囊曨l分辨率較低，傳輸速度較慢;文獻(xiàn)[7]將4G網(wǎng)絡(luò)下的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);文獻(xiàn)[8]提出4G網(wǎng)絡(luò)下的視頻監(jiān)控，但未涉及移動(dòng)機(jī)器人模擬量傳輸;文獻(xiàn)[9-10]提出了移動(dòng)機(jī)器人在WiFi網(wǎng)絡(luò)下的近距離遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是遠(yuǎn)程控制距離有限;文獻(xiàn)[11-12]提出使用Android智能手機(jī)終端通過藍(lán)牙控制移動(dòng)機(jī)器人;文獻(xiàn)[13-15]均采用PC作為控制終端。雖然這些控制方式滿足了移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制要求，但是控制范圍有限，以PC作為控制終端靈活性不夠[16]。

隨著無線通信技術(shù)和Android智能手機(jī)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制不僅僅局限于現(xiàn)場(chǎng)控制和PC端控制，應(yīng)該與無線通信技術(shù)及Android智能手機(jī)尤其是4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，這對(duì)于有危險(xiǎn)以及有污染的工作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用更具實(shí)際意義，如對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)合工作的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。另外，基于Android的應(yīng)用也是當(dāng)今軟件開發(fā)的一個(gè)發(fā)展方向[17]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)不僅可以通過Android智能手機(jī)查看移動(dòng)機(jī)器人攝像頭的視頻畫面，而且還可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人與攝像頭的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操控及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用香橙派為主控制器，通過串口連接攝像頭在第一時(shí)間收集環(huán)境信息;香橙派通過I2C連接PWM控制器，通過GPIO連接電機(jī)與2自由度云臺(tái)，控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行以及攝像頭左右、上下轉(zhuǎn)動(dòng);通過TCP與UDP協(xié)同作用將控制命令和視頻信息通過4G模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)紸ndroid智能手機(jī)終端。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

底層平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的，它保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，直接決定了控制系統(tǒng)水平高低[18]。移動(dòng)機(jī)器人硬件部分主要包括主控制器模塊、4G通信模塊、視頻采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。

2.1 主控制器模塊

香橙派是一款性價(jià)比特別高并且開源的平板電腦，是新一代ARM開發(fā)板，可以安裝Android、Ubuntu、Debian等操作系統(tǒng)。香橙派擁有1GB DDR3 內(nèi)存以及全制H3系統(tǒng)級(jí)芯片，不僅提高了開發(fā)的方便性和工作的可靠性，還縮小了系統(tǒng)體積，應(yīng)用十分廣泛。香橙派是基于ARM的Cortex-A7四核CPU，另外帶Mali400MP2的GPU，運(yùn)行內(nèi)存1G，最大支持64G TF卡，支持?jǐn)z像頭模塊、HDMI等輸出，4個(gè)USB2.0接口，支持Java、Python、C、C++等編程語言，開發(fā)靈活。

2.2 4G模塊

經(jīng)過對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行大量比較，最終選定宗安/ZOOAN的AF760-4G無線視頻通信模塊。它是工業(yè)級(jí)的4G模塊，支持4G/3G/2G+WiFi無線接入，有著快速的無線傳輸速率，最高可達(dá)150Mbps。支持移動(dòng)、聯(lián)通和電信的SIM卡，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)通。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用SKU：RB-01C073A 樹莓派電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。驅(qū)動(dòng)模塊含有3.3V電平6Pin串行接口，可與藍(lán)牙模塊、各類I2C接口模塊及超聲波模塊連接，制作開發(fā)更加方便、簡(jiǎn)潔。

2.4 通信與控制

傳輸層分為傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP（User Datagram Protocol）兩種類型。TCP是面向連接的，能夠保證可靠的傳輸服務(wù)。但是當(dāng)距離較長(zhǎng)時(shí)，發(fā)送方和接收方必須經(jīng)過許多路由，并且中間路徑可能經(jīng)常阻塞，此時(shí)連接延遲非常高。而UDP是面向非連接的，可以有效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是會(huì)存在丟包現(xiàn)象，缺乏可靠性。

通過比較分析，系統(tǒng)使用TCP協(xié)議進(jìn)行機(jī)器人移動(dòng)和攝像頭云臺(tái)信息傳輸，視頻信息則采用UDP協(xié)議傳輸。理由如下：

（1）可靠性：移動(dòng)機(jī)器人對(duì)于控制命令的可靠性要求較高，如果控制命令傳輸錯(cuò)誤，會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)作錯(cuò)亂。另一方面，機(jī)械式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)時(shí)間的響應(yīng)有點(diǎn)遲鈍，故網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲可以容忍，所以控制命令信息的傳輸采用TCP協(xié)議，這樣既降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，又保證了控制信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

（2）實(shí)時(shí)性：移動(dòng)機(jī)器人對(duì)視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸要求很高，希望在有限的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度下，盡可能實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化，這就必須減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開銷。因此，選用UDP協(xié)議傳輸視頻信息[19]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文香橙派采用Android操作系統(tǒng)，通過Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)通信。Android 智能手機(jī)作為Client端，主控板香橙派作為Server端。

3.1 控制命令傳輸與控制

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2和圖3是移動(dòng)機(jī)器人外部和內(nèi)部展示，圖3是Android智能手機(jī)終端APP界面，從中可以清晰地看到移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程傳輸過來的視頻，并且可以通過手機(jī)終端中的左側(cè)按鈕實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人攝像頭上下 、左右兩個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)，從而以第一視覺查看移動(dòng)機(jī)器人周邊環(huán)境。同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過右側(cè)的4個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)，包括移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。UDP和TCP協(xié)議的協(xié)同作用，不僅提供了清晰的視頻，還提供了準(zhǔn)確可靠的控制命令。

5 結(jié)語

本文通過4G無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并通過Android智能手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和攝像頭云臺(tái)的移動(dòng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)性好。不僅解決了有危險(xiǎn)以及有污染的工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，而且結(jié)合Android智能手機(jī)終端技術(shù)，使得移動(dòng)機(jī)器人控制更加靈活。后續(xù)可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)與擴(kuò)展功能，也可與5G模塊和5G 手機(jī)終端相連以降低視頻傳輸延遲。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）