基于云計(jì)算機(jī)器人WiFi控制鏈路研究

摘 要： 依據(jù)目前機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合云計(jì)算、WiFi技術(shù)，提出了網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念，即基于WiFi的無(wú)線局域網(wǎng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，使之能半脫離主控端，自主完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作。通過(guò)TCP/IP協(xié)議中的套接字編程，使上位機(jī)能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單控制指令的遙控操作，實(shí)現(xiàn)人監(jiān)控下的移動(dòng)機(jī)器人半自主運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)將機(jī)器人的智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)進(jìn)行了集中體現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，降低成本，并對(duì)未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展方向提出了新思路。

關(guān)鍵詞： 云計(jì)算； 機(jī)器人； WiFi； 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）20?0017?03

0 引 言

機(jī)器人自20世紀(jì)發(fā)明至今，已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用，2013年更是迎來(lái)了機(jī)器人的大發(fā)展，機(jī)器人將走進(jìn)人們的生活，尤其是特種機(jī)器人也將在軍事國(guó)防上呈現(xiàn)較大的發(fā)展空間。國(guó)外機(jī)器人起步較早，目前被分為日系和歐系，中國(guó)現(xiàn)階段還停留在以廉價(jià)勞動(dòng)力為主的現(xiàn)狀，工業(yè)自動(dòng)化水平落后，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展空間巨大，如汽車制造、手機(jī)制造自動(dòng)化流水線等。就在國(guó)內(nèi)各公司分別把目光投到有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)器人市場(chǎng)時(shí)，新的問(wèn)題出現(xiàn)了，日系和歐系的機(jī)器人發(fā)展已進(jìn)入成熟階段，中國(guó)還是以效仿為主，公司剛剛投入大量人力、物力研究出的機(jī)器人，隨著國(guó)外同類機(jī)器人的價(jià)格下降而無(wú)力在中國(guó)市場(chǎng)上市使用，這給國(guó)內(nèi)公司及機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)了巨大的阻力。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人如何能突破窘境，如何開拓出自己的市場(chǎng)，如何在市場(chǎng)上與國(guó)外機(jī)器人產(chǎn)品共舞，如何真正迎來(lái)中國(guó)機(jī)器人的劉易斯拐點(diǎn)，就必須要站在第三次信息化浪潮的前沿，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化走出自己的研發(fā)之路[1]。本文提出的基于云計(jì)算及WiFi技術(shù)的所謂網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人，它將機(jī)器人的智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)都有集中體現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念。

1 云計(jì)算

到目前為止，人們對(duì)云計(jì)算還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的定義，但基本上認(rèn)為云計(jì)算是一種大規(guī)模分布式的計(jì)算模式。它結(jié)合了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為人們提供虛擬的服務(wù)，即云計(jì)算為人們構(gòu)建一個(gè)資源池，這個(gè)資源池是動(dòng)態(tài)的、可擴(kuò)展的，人們?cè)谛枰獣r(shí)通過(guò)Internet向資源池按需索取，云計(jì)算使人們可以共享更多的資源，且其中的資源更新速度快，在系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)也不受影響。用戶只需擁有一臺(tái)能聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的硬件終端就可以使用云計(jì)算中的資源，因此云計(jì)算近年來(lái)被廣泛的發(fā)展及應(yīng)用，如云物聯(lián)、云安全、云存儲(chǔ)、私有云、云游戲、云教育、云會(huì)議、云社交等。中國(guó)的云計(jì)算產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的構(gòu)建也在積極進(jìn)行中，在政府、企業(yè)及人們的共同關(guān)注下，云計(jì)算將在醫(yī)療、電信、電子商務(wù)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。機(jī)器人具有擬人的電子設(shè)計(jì)，為了對(duì)外界信息有快速的反應(yīng)，其內(nèi)部要有大量的運(yùn)算處理，機(jī)器人可以將大量運(yùn)算處理放置到云計(jì)算的“云端”，從而大大簡(jiǎn)化了內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而且還能提高其處理反應(yīng)速度，使遠(yuǎn)端控制機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)成為可能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還能使多個(gè)機(jī)器人形成“群效應(yīng)”，執(zhí)行更為復(fù)雜的工作[2]。

2 WiFi

WiFi（Wireless Fidelity）是基于IEEE 802.11協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)接入技術(shù)又被稱為無(wú)線保真技術(shù)。隨著城市中無(wú)線熱點(diǎn)的增加，使人們?cè)趹敉鈹[脫有線、使用無(wú)線上網(wǎng)成為可能，進(jìn)而成為了人們的關(guān)注和研究熱點(diǎn)，并且得到了較快的發(fā)展，WiFi就是將有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成無(wú)線，最簡(jiǎn)單的辦法就是用無(wú)線路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)。WiFi與ZigBee、藍(lán)牙相比，最顯著的特點(diǎn)是傳輸范圍更廣、傳輸速率更高、安全可靠，因此成為了目前最主要的上網(wǎng)方式[3]。對(duì)于本文所研究的機(jī)器人，由于需要高速、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)及方便的接入方式和開放的通信協(xié)議，因此也成為了新型網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的首選技術(shù)。

3 基于云計(jì)算機(jī)器人WiFi控制鏈路

本文將云計(jì)算、WiFi和工業(yè)機(jī)器人三者融為一體，研究觸及未來(lái)機(jī)器人的一種發(fā)展方向，研究的側(cè)重點(diǎn)是在云計(jì)算模式下基于WiFi的非自主控制鏈路[4]，其中涉及信息的傳遞要求、接口技術(shù)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、軟件支持等。

網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等的高新技術(shù)，是當(dāng)代各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)，也代表了該國(guó)家的工業(yè)自動(dòng)化水平。網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人利用強(qiáng)大的云計(jì)算能力和高速可靠的信息傳輸能力，形成人的常規(guī)能力，并進(jìn)行替代，解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力，有處理重復(fù)性強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度大、精確度高及抗惡劣環(huán)境作業(yè)的能力。尤其對(duì)待在火山、深海、空間、軍事場(chǎng)地巡邏、偵察、監(jiān)視、生物、化學(xué)、核試驗(yàn)場(chǎng)地作業(yè)等發(fā)揮了重要的作用。

傳統(tǒng)機(jī)器人具有復(fù)雜的智能運(yùn)算設(shè)備，本文所研究的是可以通過(guò)鏈路端的高速處理器完成智能運(yùn)算功能，可以大大提高運(yùn)算速度及軟件運(yùn)行能力，同時(shí)也可減小機(jī)器人“智能”數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，極大地簡(jiǎn)化機(jī)器人的設(shè)計(jì)，降低成本。另一方面，隨著機(jī)器人研究和應(yīng)用的不斷深入，居家機(jī)器人也受到高度重視，從而對(duì)遠(yuǎn)程信息交互和系統(tǒng)控制提出了更高要求。當(dāng)前遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模型基本都是基于互聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單一控制，當(dāng)機(jī)器人遇到復(fù)雜環(huán)境或者需要多機(jī)器人協(xié)作的時(shí)候，這種控制方式就顯得力不從心?；跓o(wú)線局域網(wǎng)的控制方式能夠方便的把單一機(jī)器人擴(kuò)展為機(jī)器人組并使之協(xié)調(diào)動(dòng)作，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和穩(wěn)定性[5]。

本文作為立項(xiàng)研究課題，在目前所具有的軟、硬件條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于WiFi的無(wú)線局域網(wǎng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，使之能半脫離主控端（PC），自主完成一些簡(jiǎn)單動(dòng)作，通過(guò)TCP/IP協(xié)議中的Socket（套接字）編程，使上位機(jī)（PC）能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單控制指令的遙控操作，利用人類的高級(jí)智能和機(jī)器人的低級(jí)智能，實(shí)現(xiàn)人監(jiān)控下的移動(dòng)機(jī)器人半自主運(yùn)動(dòng)。云計(jì)算則使機(jī)器人的遠(yuǎn)端控制通過(guò)WiFi和云端的超大運(yùn)算資源池的互連成為了可能。

本方案的硬件設(shè)計(jì)主要包括機(jī)器人、無(wú)線路由器、能聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的終端，如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)由中央處理器、控制模塊、LED燈模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、馬達(dá)模塊、擴(kuò)展模塊、上位機(jī)軟件組成，下面以機(jī)器車為例進(jìn)行說(shuō)明。

（1）中央處理器。是整個(gè)機(jī)器人的核心，接收外界的輸入信息進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果傳送到其他的模塊，促使其他模塊運(yùn)行。

（2）控制模塊?？刂聘髂K能正常運(yùn)行。比如中央處理器下達(dá)一個(gè)LED燈開關(guān)的命令，則由控制模塊控制LED燈的開關(guān)。

（3）驅(qū)動(dòng)模塊。即電源模塊，給整個(gè)機(jī)器車供電。驅(qū)動(dòng)板接口采用通用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口方式，對(duì)于控制信號(hào)來(lái)說(shuō)分成兩組，每組三個(gè)信號(hào)，分別是ENA，IN1，IN2；ENB，IN3，IN4。分別由單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳控制。為了方便驅(qū)動(dòng)板使用邏輯電平，在接口處設(shè)計(jì)5 V電源。

L293電機(jī)驅(qū)動(dòng)板可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，在本設(shè)計(jì)中，每一路L293 輸出引出兩個(gè)并聯(lián)的端口，以便控制四輪的小車，左右兩邊的電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。本驅(qū)動(dòng)板也可以控制D42 步進(jìn)電機(jī)、四線制的步進(jìn)電機(jī)。

當(dāng)在電機(jī)電壓輸入時(shí)，即采用獨(dú)立電源為電機(jī)供電，采用短路帽跳到7.2 V。如果采用電壓與邏輯電壓一致時(shí)，可以把這個(gè)短路跳線帽安裝到5 V，這時(shí)為電機(jī)供電的電壓與芯片的邏輯電壓一樣。

L293有兩個(gè)電壓輸入，一個(gè)給電機(jī)的電壓，一個(gè)是給芯片工作與控制邏輯的參考電壓。L293 相當(dāng)于有四個(gè)驅(qū)動(dòng)門，每個(gè)IN1，對(duì)應(yīng)一個(gè)OUT1，當(dāng)IN1 為高電平時(shí)，OUT1 輸出高電平，電壓為VSS，也就是給這個(gè)芯片電機(jī)的供電電壓。

本設(shè)計(jì)每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)門做成一路控制電機(jī)的信號(hào)，這樣可以使電機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車、自由滑行。ENA 與ENB 的使能的控制，如果采用PWM 對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以在ENA 與ENB 中分別接入PWM 信號(hào)，IN1與IN2，和IN3與IN4，分別可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)。

（4）馬達(dá)模塊。帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)板的施工馬達(dá)的正常運(yùn)行和控制馬達(dá)。

（5）擴(kuò)展模塊。為以后升級(jí)而預(yù)留的接口。

（6）LED燈模塊。設(shè)計(jì)了三極管放大，采用9012的低電平控制，輸出為2 位排針?？梢赃B接車身燈的LED，由于控制板加入470 Ω限流電阻，其接口可以直接連接LED。

（7）上位機(jī)軟件。采用C#語(yǔ)言開發(fā)，在VS2010開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通過(guò)云端和WiFi控制鏈路對(duì)機(jī)器人的控制。結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

由于本系統(tǒng)要求綜合運(yùn)用云計(jì)算，以組太網(wǎng)為基礎(chǔ)，突出上位機(jī)的作用，結(jié)合基于WiFi傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)及機(jī)器人云端的利用方法和界定，進(jìn)行了上位機(jī)的傳輸軟件開發(fā)，進(jìn)行了WiFi接口設(shè)計(jì)及機(jī)器人終端控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)器人的研究與應(yīng)用是人類智慧的結(jié)晶。目前各國(guó)對(duì)機(jī)器人的研究與開發(fā)如火如荼，研究成果不斷涌現(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人作為一個(gè)重要的研究方向已形成了一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文所論述的內(nèi)容是課題研究成果的一部分，通過(guò)對(duì)云計(jì)算應(yīng)用、WiFi無(wú)線接口開發(fā)與編程、機(jī)器人指令的接入與處理研究，初步掌握了網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的研究方法，實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算、WiFi和工業(yè)機(jī)器人相互融合，取得了一定的研究結(jié)論，并成功制作了機(jī)器人、無(wú)線路由器、能聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的終端一體化可執(zhí)行系統(tǒng)。

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