基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的可視化遙控搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)※

楊 軍

（四川師范大學(xué)，成都610101）

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)漸漸步入人們的實(shí)際生活之中，本設(shè)計(jì)所研究的遙控搬運(yùn)機(jī)器人是眾多機(jī)器人中的一種。搬運(yùn)機(jī)器人主要代替人完成物體的夾取、運(yùn)輸、擺放工作，可工作于人類無法進(jìn)入或?qū)θ梭w有害的工作環(huán)境。傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人多采用無線電或者紅外的方式來進(jìn)行遙控，這種機(jī)器人操控范圍較小，并且需要特定的控制器。本設(shè)計(jì)主要研究基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線遙控搬運(yùn)機(jī)器人，利用WiFi網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻圖像采集，以及機(jī)器人上的傳感器數(shù)據(jù)采集。采用WiFi網(wǎng)絡(luò)通信使得控制端多樣化，可用手機(jī)、電腦等具備WiFi功能的設(shè)備進(jìn)行控制。此外，還可將機(jī)器人接入Internet來實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的控制。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)服務(wù)器端采用移植了Linux操作系統(tǒng)的S3C6410，通過完成底層驅(qū)動(dòng)的移植和編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，其次移植了MJPGstreamer服務(wù)器和BOA服務(wù)器等實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)、控制信息的傳輸[1]?？蛻舳朔矫娣謩e編寫了WEB版和Android版應(yīng)用程序。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）MCU

本設(shè)計(jì)的主控器采用友善之臂公司的一款核心板，其主芯片S3C6410是三星公司基于ARM1176JZF-S核設(shè)計(jì)的嵌入式處理器。該核心板配置了256 MB DDR RAM，并且主頻為533 MHz，最高主頻可以達(dá)到667 MHz。通過將Linux操作系統(tǒng)移植到該核心板上來完成對(duì)硬件的管理與客戶端提供數(shù)據(jù)交換，響應(yīng)客戶端的命令控制。

（2）伺服電機(jī)

采用的伺服電機(jī)為微型伺服馬達(dá)（又稱作舵機(jī)），主要應(yīng)用于模型的動(dòng)作控制，通過脈寬調(diào)制可以對(duì)其進(jìn)行比較精確的控制。本設(shè)計(jì)采用TOROBOT公司生產(chǎn)的TR213舵機(jī)，其動(dòng)態(tài)扭矩可以達(dá)到13 kg·cm，轉(zhuǎn)角范圍為180°，控制精度達(dá)到0.5°，工作電壓為4.8～7.2 V，其性能能夠滿足本設(shè)計(jì)的基本要求，所以選用兩個(gè)TR213配合夾持器完成物體的夾持工作。

（3）直流電機(jī)

直流電機(jī)用于控制機(jī)器人移動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用帶齒輪箱的直流電機(jī)，其減速比為1：120，工作電壓為3～12 V左右，7.2 V電壓下轉(zhuǎn)速達(dá)120 r/min，4個(gè)直流電機(jī)配合車體，最大負(fù)載可達(dá)到2 kg。

（4）WiFi網(wǎng)卡

無線網(wǎng)卡采用USB接口的必聯(lián)（B-LINK）BL-LW05-AR5無線網(wǎng)卡，其主芯片為RTL8188，并且外置了5 DBI的高增益天線，傳輸速度最高可達(dá)150 Mbps，實(shí)際傳輸距離較遠(yuǎn)，并且支持AP模式。本設(shè)計(jì)通過移植該網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)、Hostapd以及DHCP讓機(jī)器人作為AP熱點(diǎn)供無線設(shè)備進(jìn)行連接控制。

（5）攝像頭

攝像頭采用中星微ZC301P，USB接口，像素高達(dá)130萬，擁有6 mm的五玻鏡頭，62°視角，并且具有自動(dòng)亮度、自動(dòng)白平衡、伽馬校正功能。本設(shè)計(jì)中使用這款攝像頭來完成機(jī)器人前方視頻數(shù)據(jù)采集。

（6）壓力傳感器

為了采集機(jī)器人夾持器的壓力數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用了FSR402薄膜壓力傳感器。該傳感器受力后會(huì)導(dǎo)致電阻變小，根據(jù)電阻值的變化可以得到壓力的變化，其允許的壓力范圍為100 g～10 kg，并且傳感器受力區(qū)域的直徑達(dá)1.27 cm。

（7）直流電源

為了完成物體的夾持、搬運(yùn)、擺放工作，機(jī)器人帶有4路直流電機(jī)、2路伺服電機(jī)，耗電量較大，且負(fù)載時(shí)電流較大。為了使其能穩(wěn)定正常工作，本設(shè)計(jì)選用了一款15C的航模電池，其容量為1 300 m Ah，標(biāo)稱電壓為7.4 V，充滿電壓為8.4 V，最大電流可達(dá)16 A，配以LM338穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定地提供5 A/5 V直流電源。

3 服務(wù)器搭建

3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端功能框圖如圖2所示。

圖2 服務(wù)器端功能框圖

3.2 Linux系統(tǒng)移植

核心板采用友善之臂公司提供的TINY6410，此核心板已提供Bootloader、Linux操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。使用時(shí)只需要根據(jù)實(shí)際的需要裁減Linux系統(tǒng)即可，本設(shè)計(jì)采用的Linux內(nèi)核版本為Linux2.6.38，編譯平臺(tái)為Ubuntu12.04，交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。

3.3 驅(qū)動(dòng)編寫與移植

（1）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于S3C6410只帶有兩路PWM輸出，而夾持器部分需要兩路PWM脈寬調(diào)制控制伺服舵機(jī)，因此直流電機(jī)部分采用定時(shí)器2來模擬PWM調(diào)制。設(shè)置定時(shí)器2每100 ms進(jìn)一次中斷，在定時(shí)器中進(jìn)行1～100計(jì)數(shù)，因此PWM周期為10 s，并有100個(gè)脈寬比可調(diào)，滿足直流電機(jī)調(diào)速控制。

（2）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

伺服電機(jī)需要采用脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)20 ms周期內(nèi)的占空比可以指定伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，其對(duì)應(yīng)關(guān)系表略——編者注。

由于舵機(jī)的控制要求較高，本設(shè)計(jì)采用S3C6410自帶的PWM進(jìn)行控制。設(shè)置PWM0和PWM1的周期為20 ms，通過調(diào)節(jié)PWM0和PWM1的占空比來控制伺服電機(jī)的工作。

（3）攝像頭驅(qū)動(dòng)

ZC301為免驅(qū)的UVC視頻設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)視頻的采集，需要在編譯內(nèi)核時(shí)選擇V4L2支持。

（4）USB WiFi驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)中的USB無線網(wǎng)卡采用RTL8188芯片，為使該設(shè)備能夠正常工作需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序移植。

（5）ADC驅(qū)動(dòng)

電源電量以及FSR壓力傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量需要ADC驅(qū)動(dòng)的支持，由于系統(tǒng)中已含有該驅(qū)動(dòng)，故只需要在編譯內(nèi)核時(shí)選擇上即可。

3.4 AP熱點(diǎn)搭建

Hostapd是Linux系統(tǒng)中無線訪問接入點(diǎn)的守護(hù)進(jìn)程。它可以將無線網(wǎng)卡設(shè)置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設(shè)備接入的身份驗(yàn)證。在實(shí)際的使用期間，需要對(duì)其配置文件進(jìn)行相應(yīng)的修改。本設(shè)計(jì)中采用Hostapd結(jié)合RTL8188網(wǎng)卡完成AP熱點(diǎn)的搭建。另外，通過配置DHCP的配置文件并啟用該服務(wù)為接入機(jī)器人的WiFi設(shè)備分配IP地址，有效地避免了多個(gè)設(shè)備接入時(shí)的地址沖突問題。

3.5 視頻服務(wù)器搭建

本設(shè)計(jì)選用input＿uvc作為輸入組件來使用V4L2從攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)JPEG庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后，通過選用output＿h(yuǎn)ttp作為輸出組件來輸出圖像數(shù)據(jù)。output＿h(yuǎn)ttp組件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)符合HTTP1.0標(biāo)準(zhǔn)的 WEB服務(wù)器，用戶可以使用HTTP協(xié)議獲取視頻信息。

3.6 BOA服務(wù)器搭建

由于MJPGstreamer服務(wù)器只能傳輸視頻信息，而本設(shè)計(jì)需要接收客戶端的控制命令并且還需返回機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)，因此需要移植支持CGI應(yīng)用腳本的服務(wù)器。BOA服務(wù)器是一個(gè)可運(yùn)行在Unix或Linux下的非常小巧的單任務(wù)WEB服務(wù)器，并且支持CGI腳本，廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域[4]。本設(shè)計(jì)通過編寫CGI腳本來完成服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)交換。

3.7 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)程序主要完成機(jī)器人的初始化、讀取電量值并將電量值通過LED進(jìn)行提示，讀取命名管道獲得命令字并將其解析執(zhí)行。主要的流程圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)程序流程圖

如圖3所示，本設(shè)計(jì)中的服務(wù)程序采用多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)方式，其子進(jìn)程每60 s采集一次電源電量信息并更新電量指示燈顯示，主進(jìn)程采用阻塞讀的方式讀取命名管道來等待客戶端發(fā)送命令，獲得命令之后對(duì)命令進(jìn)行解析，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來執(zhí)行相應(yīng)的命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。

4 客戶端程序設(shè)計(jì)

4.1 Android客戶端設(shè)計(jì)

Android客戶端軟件流程圖如圖4所示。

圖4 Android應(yīng)用程序流程圖

Android端的應(yīng)用程序采用多線程技術(shù)，其中一個(gè)子線程每60 s向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)獲取電量的命令并根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示更新，另一個(gè)線程根據(jù)MJPEG協(xié)議來解析出圖像數(shù)據(jù)并更新顯示。主線程主要完成用戶操控事件的監(jiān)聽，并根據(jù)用戶的實(shí)際操控發(fā)送相應(yīng)的命令給服務(wù)器，并從服務(wù)器獲得機(jī)器人的最新數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)更新，其命令的發(fā)送方式采用HTTP協(xié)議中的GET方法。

GET方法是HTTP協(xié)議中定義的多種與服務(wù)器進(jìn)行交互的方法之一，它一般用于獲取/查詢資源信息。該方法請(qǐng)求的數(shù)據(jù)會(huì)附在URL之后，并且提交的數(shù)據(jù)最多只能是1024字節(jié)，但是本設(shè)計(jì)中只需要傳送命令字即可，因此采用GET方法來傳送命令字與獲取機(jī)器人數(shù)據(jù)信息。使用該方法來發(fā)送命令，服務(wù)器端的CGI程序可以在QUERY-STRING環(huán)境變量中非常方便地獲取到客戶端傳送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并且客戶端應(yīng)用程序可以在Http Response中獲得服務(wù)器端返回的數(shù)據(jù)。

MJPEG將服務(wù)器端發(fā)送來的一張張JPEG圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端不斷地接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)并顯示更新，即形成了動(dòng)態(tài)的圖像。獲取視頻圖像數(shù)據(jù)時(shí)，客戶端首先發(fā)一個(gè)GET方法，如果服務(wù)器接收響應(yīng)則會(huì)設(shè)置context type的boundary子屬性來指明，然后服務(wù)器端開始發(fā)送圖片數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)頭部會(huì)有圖片類型以及大小信息，其中Content-Length字段指明圖像數(shù)據(jù)的長度，Content-Type字段指明圖像的類型值為image/jpeg。當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，服務(wù)器端將會(huì)發(fā)送邊界字符串來表示一幀圖像發(fā)送結(jié)束。

4.2 WEB客戶端設(shè)計(jì)

圖5 WEB客戶端流程圖

WEB客戶端程序流程圖如圖5所示。WEB客戶端采用AJAX技術(shù)，其功能模塊大體上分為3個(gè)部分：第一部分主要是監(jiān)測(cè)用戶的操作并采用HTTP GET 34方法來發(fā)送控制命令，然后將服務(wù)器返回的信息更新顯示；第二部分主要為120 s定時(shí)發(fā)送，獲取電源電量值的命令，并將獲得的數(shù)據(jù)更新顯示；第三部分獲取圖像數(shù)據(jù)并顯示。

AJAX（Asynchronous Javascript＋ XML）即異步JavaScript和XML技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁異步更新。采用該方法來設(shè)計(jì)WEB應(yīng)用，可以只對(duì)網(wǎng)頁的部分內(nèi)容進(jìn)行更新，而不需要重新對(duì)整個(gè)頁面進(jìn)行加載。其工作原理如圖6所示。

圖6 AJAX工作原理

結(jié) 語

本文從硬件選型、硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)移植、驅(qū)動(dòng)程序移植編寫、服務(wù)器搭建、服務(wù)器程序編寫，以及Android客戶端和WEB客戶端應(yīng)用程序編寫方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。最終，用戶能夠通過Android客戶端和WEB客戶端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行夾持、運(yùn)輸、擺放動(dòng)作的控制，并且可以實(shí)時(shí)地返回機(jī)器人采集到的圖像數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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