基于Web的群體機器人遠程控制系統研究與實現

2013-09-17 10:31:16夏永鋒

微型電腦應用 2013年2期

夏永鋒

0 引言

機器人技術的出現和發展，不但使傳統的工業生產面貌發生根本性變化，而且將對人類社會產生深遠的影響。就目前的機器人技術水平而言，單機器人在信息的獲取，處理及控制能力等方面都是很有限的。研究者則考慮由多個機器人組成的群體系統通過協作來完成單機器人無法或難以完成的工作。然而，目前群體機器人的理論技術還很難實現一種全自主式的群體機器人系統，一定的人為介入是極為必要的，以協助群體機器人系統實現功能初始化，故障恢復以及應對復雜環境等。

從1993年水星計劃[3]開始研究人員將萬維網應用于機器人控制，到現在將云計算、Web Service等新技術與機器人控制相結合[1][2],研究方向覆蓋新型的機器人遠程控制網絡架構[4]、機器人群體控制無線網絡協議優化[5]等方面，表明機器人控制技術研究熱點正逐步從單機器人轉向機器人群體，并始終與最新的網絡技術相結合。

基于 Web 的遠程控制技術打破了傳統控制技術空間距離上的限制，依托因特網的廣泛應用，使得人們能夠隨時隨地地訪問機器人系統，并且可以在任何平臺下被訪問，只需該平臺下裝有合適的 Web 瀏覽器。另外，以Web Server為中心，降低了維護費用，對系統的修改只需在 Web Server上進行，無需在客戶端做任何修改，從而提高系統隨著需求的變更快速更新的能力。

1 系統功能與體系結構

1.1 總體功能設計

作為機器人控制系統，本系統將控制分為3個層次：基本控制、精確控制、批量指令控制。3個層次的控制分別對應不同的控制需求。

基本控制部分將基本控制操作抽象為圖標，只要點擊圖標就能完成相應的控制操作。基本控制操作的對象是群體機器人中的所有成員，功能包含：查詢-獲取機器人的電量，當前運動速度等信息，運動、向前、向后、左轉、右轉、停止- 控制機器人的運動以及運動方向，計數 – 統計群體機器人的數量以及編號。

精確控制部分根據目標對象分為群體與單個兩部分，兩者的區別在于單個需要用戶選擇具體的單個機器人編號，兩者都可以選擇具體指令和特定指令的參數。

批量指令控制部分允許用戶編寫簡單的程序，然后提交到server，由server來解釋程序，轉換成控制指令序列發送到機器人。批量指令的目的是為了提高控制的效率，減少用戶的操作工作量。

1.2 系統結構設計

基于Web的應用通常都是Browser/Server模式。Browser端和Server端作為相互獨立的兩個部分通過HTTP協議進行通信，其過程分為4步：建立連接，發送請求，發送應答和關閉連接。整個過程是個請求/應答的模式，如圖1所示：

圖1 系統結構模型圖

基于Web的機器人遠程控制系統中，Server是一個數據中轉站，Browser發起的數據請求最終需要作用于機器人。除了Browser與Server之間的交互，還有Server與機器人之間的交互。

本系統中 Server部分起到核心作用，負責接收來自用戶Browser的數據，對數據進行一定的轉換預處理，特別是對于批量指令數據，需要進行程序的解釋，生成控制指令序列，然后將經過處理的指令數據寫到某個串口，該串口上通過USB連接著一個無線模塊，機器人上使用的是相同的無線模塊，在Server寫入串口的數據量達到32字節后，無線模塊就將數據廣播出去，機器人上的無限模塊接收到數據，發出中斷信號，將數據存入緩沖區，機器人應用程序從緩沖區中讀出數據進行解析，執行相應的操作。

2 關鍵技術

2.1 指令編碼

為了減少網絡數據傳輸量，減小機器人對于控制指令的解析工作，以及簡化Web Server將批量指令程序轉化成控制指令序列，需要對控制指令進行編碼。

由于無線模塊的數據發送緩沖區為32個字節，僅當緩沖區滿時，才會將數據發送出去。如果緩沖區中的數據未滿32字節，那么超過100ms后會被自動清除，所以將控制指令編碼的長度設為32字節。

根據總體功能設計，指令中的信息應包括小車編號，指令類型，指令參數3個部分。另外，為了提高系統的可靠性，對指令增加版本號信息。32字節編碼的每個字節存儲一個 char類型數據。由于目前機器人數量以及指令數目都較少，每個字節存儲一個char類型字符數據可以滿足需求。

第1，2字節存儲小車編號，第1字節為小車編號的十位數字的字符，第2字節為個位數字的字符，例如：小車的編號為12，則第1，2字節分別為’1’，’2’，小車的編號未超過10時，則第1字節為’0’。

第3，4字節為指令的編號，存儲方式與小車編號一致。對于控制指令的編號如：查詢 - 'info': '1', 運動 - 'run': '2',向前 - 'forward': '3', 向后 - 'backward': '4', 左轉 - 'turnleft':'5', 右轉 - 'turnright': '6', 停止 - 'stop': '7', 計數 - 'count': '8'。

第 5，6，7字節為指令的參數，參數主要是指運動，向前，向后，停止四個指令可搭配時間或者距離參數。

第8，9，10，11字節依次存儲版本號的千，百，十，個位。余下的所有字節置為’