基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊 亮, 李文生, 鄧春健, 楊偉鈞

(1. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2. 廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

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·實(shí)習(xí)與實(shí)訓(xùn)·

基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊 亮1, 李文生1, 鄧春健1, 楊偉鈞2

(1. 電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，廣東 中山 528402；2. 廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

以提高電子信息類專業(yè)學(xué)生綜合應(yīng)用能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)和手機(jī)控制端兩部分組成，其中移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)避障、煙霧檢測(cè)、紅外線感應(yīng)、視頻捕獲等功能，通過手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控。文章詳細(xì)闡述了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)，并給出了相關(guān)功能驗(yàn)證結(jié)果。該平臺(tái)綜合了電子、自動(dòng)化、機(jī)電、計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識(shí)，既有具體專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用背景，又有較好的趣味性，通過綜合實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)，將物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器、移動(dòng)應(yīng)用軟件開發(fā)等專業(yè)知識(shí)點(diǎn)融入到具體生動(dòng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，實(shí)踐表明該平臺(tái)有助于讓學(xué)生更好地理解電子信息類專業(yè)知識(shí)并提高其綜合應(yīng)用能力。

移動(dòng)機(jī)器人； 綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)； 物聯(lián)網(wǎng)； 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

大學(xué)電子信息類課程具有邏輯性強(qiáng)同時(shí)也相對(duì)晦澀難懂的特點(diǎn)，這給大學(xué)電子信息類的課堂教學(xué)提出了較大挑戰(zhàn)[1]，設(shè)計(jì)與專業(yè)知識(shí)聯(lián)系緊密且擁有良好應(yīng)用背景，并具有一定趣味性的實(shí)驗(yàn)是有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、將學(xué)生注意力吸引在課堂和實(shí)驗(yàn)室的有效方法。另一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)在通信、消費(fèi)電子、醫(yī)療儀器、航天航空等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2-3]，市場(chǎng)對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員的要求也越來越高，要求掌握的專業(yè)技術(shù)所涉及的知識(shí)面越來越廣，對(duì)于新興的技術(shù)需求量也越來越大，例如移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，如何設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的應(yīng)用背景與綜合性的實(shí)驗(yàn)已成為高等教育中需要解決的重要問題之一。

移動(dòng)機(jī)器人是集自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)規(guī)劃與決策、環(huán)境感知等多功能于一體的綜合性系統(tǒng)[4]，涉及計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、人工智能等多門學(xué)科，反映了一個(gè)國(guó)家的智能化和自動(dòng)化研究水平，是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力的重要標(biāo)志[5]，另一方面，具有實(shí)時(shí)追蹤、感知、監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng),在反恐、軍事偵察、還有工業(yè)生產(chǎn)線等方面有非常廣闊的發(fā)展空間[6]，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,將機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，成為當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一[7-8]，同時(shí)機(jī)器人為創(chuàng)新素質(zhì)教育提供了一個(gè)最佳的平臺(tái)[9]。

本項(xiàng)目充分利用移動(dòng)機(jī)器人涉及多學(xué)科且具有一定趣味性及綜合性的特點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)方案，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)綜合了電子、自動(dòng)化、機(jī)電、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的知識(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器、移動(dòng)應(yīng)用軟件開發(fā)等專業(yè)知識(shí)點(diǎn)融入到具體生動(dòng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中。

1 移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要由基于Android系統(tǒng)的智能控制終端及移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)組成，其中移動(dòng)機(jī)器人采用四輪移動(dòng)模式，包括3個(gè)子系統(tǒng)，分別是機(jī)器人控制子系統(tǒng)、機(jī)器人傳感器子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)。其整體系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

其中機(jī)器人車體子系統(tǒng)，主要是指移動(dòng)機(jī)器人車體機(jī)械部分，包括電機(jī)、輪子(或履帶)等。機(jī)器人傳感器子系統(tǒng)主要完成視頻、溫度、距離等數(shù)據(jù)的采集，包含攝像頭、超聲波傳感器、紅外溫度傳感器等。機(jī)器人控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的接收與控制，包括ARM6410控制板及ARV單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等部分。

為降低系統(tǒng)之間的耦合，采用ARM6410為移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的主控芯片，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成圖像信息的采集及無線通信功能，而具體的電機(jī)控制、傳感器信息采集則選用AVR Mega16單片機(jī)為控制芯片，其功能模塊架構(gòu)圖如圖2所示。

ARM6410與AVR Mega16單片機(jī)之間通過RS232接口進(jìn)行控制信息的傳遞，ARM6410上面運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)攝像頭，完成圖像信息的采集、編碼，傳輸。基于Android系統(tǒng)的智能控制終端則可通過無線局域網(wǎng)完成對(duì)機(jī)器人的控制、查詢功能，例如通過智能終端發(fā)送控制信息，可以達(dá)到控制移動(dòng)機(jī)器人的目的，如機(jī)器人的移動(dòng)、傳感器信息的采集、舵機(jī)的遠(yuǎn)程控制等功能。

2 移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人車體子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人車體子系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主體機(jī)構(gòu)，也是承載移動(dòng)機(jī)器人其他各子系統(tǒng)及完成各種動(dòng)作的物理實(shí)體。為適應(yīng)不同專業(yè)背景的個(gè)性化需求，開發(fā)了具有不同運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的機(jī)器人車體系統(tǒng)：

(1) 四輪驅(qū)動(dòng)型移動(dòng)機(jī)器人車體。這是較為常見的一種車體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，采用4個(gè)電機(jī)分別控制4個(gè)輪子，通過控制4個(gè)輪子的速度及方向?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)。

輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)用途廣泛、適應(yīng)能力強(qiáng),體積輕便小巧[10]。系統(tǒng)平臺(tái)采用了 Linux,使得移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)、幵放性能得到了很大的改善[11]。這種車體結(jié)構(gòu)便于控制，車體內(nèi)有更多空間，能夠容納諸如控制板、電池、電機(jī)、傳感器等設(shè)備，甚至可將無線路由器部署在小車上，提供一個(gè)可以“移動(dòng)”的WiFi網(wǎng)絡(luò)。

(2) 履帶型移動(dòng)機(jī)器人車體。為了能夠擁有更強(qiáng)的越障能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了履帶型移動(dòng)機(jī)器人車體，利用高強(qiáng)度的鋁合金進(jìn)行加工并制成模型，擁有良好的散熱排氣孔設(shè)計(jì)，具有體積小、便于攜帶、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、越障能力突出等優(yōu)點(diǎn)。(見圖4)。

圖3 四輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人車體實(shí)物圖

圖4 履帶型移動(dòng)機(jī)器人車體實(shí)物圖

2.2 機(jī)器人傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過靈活安裝載傳感器，實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的交互。在傳感器子系統(tǒng)中，為降低與機(jī)器人控制子系統(tǒng)的耦合程度，采用AVR meg16單片機(jī)為主控芯片，通過傳感器采集包括距離、溫度等環(huán)境信息，并通過RS232串口傳輸給機(jī)器人控制子系統(tǒng)。下面對(duì)各傳感器各功能進(jìn)行描述。

(1) 超聲波測(cè)距模塊。超聲波測(cè)距模塊主要是為了避免機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)用戶來不及控制而導(dǎo)致機(jī)器人碰壁的現(xiàn)象，防止硬件遭到碰撞受損，延遲機(jī)器人的使用壽命。開啟超聲波測(cè)距后用戶可以通過修改其頻率來改變檢測(cè)距離。當(dāng)在指定距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)障礙物，單片機(jī)隨即發(fā)送該信息給上層系統(tǒng)，上層系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行轉(zhuǎn)向，若不進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)器人將停止行動(dòng)。

(2) 煙幕檢測(cè)模塊。煙幕檢測(cè)模塊具有繼電器控制輸出；帶電平檢測(cè)信號(hào)輸出可有效控制報(bào)警；供電副本直接用DC9V電池供電；感應(yīng)靈敏度高，誤報(bào)率極低。當(dāng)煙霧檢測(cè)傳感器指示燈開始閃爍，繼電器吸合，表明煙霧濃度已超過正常值，3秒左右指示燈開始閃爍，繼電器吸合，當(dāng)AVR Mega16單片機(jī)從I/O口讀取到低電平，此時(shí)觸發(fā)異常中斷，即發(fā)出蜂鳴報(bào)警，并將危險(xiǎn)信息通過RS232接口傳給ARM6410主控芯片。

(3) 紅外人體感應(yīng)檢測(cè)模塊。人體感應(yīng)是一種利用紅外線、熱釋電原理感應(yīng)溫度變化信息的新技術(shù)，能自動(dòng)準(zhǔn)確的識(shí)別、檢測(cè)和感應(yīng)包括人體在內(nèi)的有熱度變化的信息，它不依賴光線，哪怕是在漆黑的環(huán)境里，也能穩(wěn)定可靠的工作。利用該紅外人體感應(yīng)檢測(cè)模塊完成對(duì)人類活動(dòng)的檢測(cè)功能，該功能可以用于救災(zāi)場(chǎng)景中，如在一些危險(xiǎn)的環(huán)境中，該機(jī)器人可為搜救被困人員提供參考信息。

在傳感器子系統(tǒng)中，可以適時(shí)引入物聯(lián)網(wǎng)中感知層的概念，設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如溫度、濕度、甲烷氣體濃度等信息的采集實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)編程等實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生思考，如何實(shí)現(xiàn)物與物之間的通訊與聯(lián)系。

2.3 機(jī)器人控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制子系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，采用ARM6410作為主控芯片，上面運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要完成控制命令的解析與傳遞、圖像信息的采集、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。

(1) 圖像信息采集模塊。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，首先借助Linux平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)正確識(shí)別并驅(qū)動(dòng)usb攝像頭，利用Linux操作系統(tǒng)自帶的v4l2接口完成圖像信息的采集，并移植開源Jrtplib庫實(shí)現(xiàn)圖像信息的RTP發(fā)送與接收功能。

(2) 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。考慮到平時(shí)實(shí)驗(yàn)的具體情況，本平臺(tái)采用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為主要的通訊媒介，同時(shí)也提供RJ45接口作為備用方案。為達(dá)到靈活的硬件配置，采用usb網(wǎng)卡，并設(shè)置腳本，自動(dòng)完成WiFi網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)登錄。

(3) 電機(jī)控制模塊。為實(shí)現(xiàn)真正的四輪驅(qū)動(dòng)，本平臺(tái)采用AVR Mega16單片機(jī)控制經(jīng)由L298P芯片控制四個(gè)電機(jī)，以達(dá)到分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)輪子的目的。軟件上，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制，采用定時(shí)器中斷方式輸出PWM，通過調(diào)整占空比達(dá)到控制電機(jī)速度的作用。

(4) 舵機(jī)控制模塊。舵機(jī)相當(dāng)于機(jī)器人的“肌肉”，可以完成物體的夾取等功能。本平臺(tái)采用AVR Mega16單片機(jī)來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，控制原理類似電機(jī)控制模塊，也是通過輸出PWM波，調(diào)整占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到AVR單片機(jī)控制電路板，進(jìn)行反饋，然后AVR單片機(jī)控制板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。

另外，還可加入usb 3G上網(wǎng)卡，引導(dǎo)學(xué)生將3G上網(wǎng)卡移植到嵌入式Linux平臺(tái)，開展Linux驅(qū)動(dòng)程序編寫、移植等相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐。在網(wǎng)絡(luò)方面，可以適時(shí)引入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，Zigbee是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)技術(shù)。在工業(yè)控制、家庭智能化以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面有廣泛的應(yīng)用前景[12-13]，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)及自學(xué)能力。

2.4 基于Android系統(tǒng)的智能控制終端設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)接口，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的移動(dòng)、信息采集、控制等功能，我們基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能控制終端軟件，該軟件能夠運(yùn)行在Android系統(tǒng)下，能夠運(yùn)行在各種Android設(shè)備上，如Android智能手機(jī)、平板電腦等，其使用界面，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制終端使用界面

通過該控制界面，可以選擇打開或關(guān)閉人體感應(yīng)檢測(cè)及超聲波檢測(cè)等功能，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的移動(dòng)速度及方向，實(shí)時(shí)查看攝像頭捕獲的圖像信息等功能。

該部分可引導(dǎo)學(xué)生做移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等方面的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，如通過智能手機(jī)自帶的陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器檢測(cè)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程動(dòng)作控制，例如，將智能手機(jī)傾斜一定的角度，可以控制機(jī)器人移動(dòng)的速度與方向，該部分實(shí)現(xiàn)能夠很好的將移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)、軟件工程等課程內(nèi)容融合在一起，通過實(shí)驗(yàn)的方式鍛煉、提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

3 結(jié) 語

大學(xué)電子信息類課程具有較強(qiáng)的理論性和專業(yè)性，綜合性很強(qiáng)，內(nèi)容相對(duì)抽象，因此設(shè)計(jì)與知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密，又具有良好的應(yīng)用背景與趣味性的實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要，再有在針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除

了保證學(xué)生必須掌握的實(shí)驗(yàn)科目外，盡量減少對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制，突出設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思路的養(yǎng)成[14]。

實(shí)踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，鼓勵(lì)創(chuàng)新和重視實(shí)踐是創(chuàng)新教育的關(guān)鍵[15]。本文借用了移動(dòng)機(jī)器人的趣味性與綜合性，將其引入綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)中，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動(dòng)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)方案，該綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)目前已被應(yīng)用于本院“嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析有應(yīng)用”、“嵌入式軟件開發(fā)”、“移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件開發(fā)”等課程的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)中。試用表明，該平臺(tái)不但有利于提高學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的理解，并有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)，也為學(xué)生完成創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件。

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The Design of Mobile Robot Experimental Platform Based on Internet of Things

YANGLiang1,LIWen-sheng1,DENGChun-jian1,YANGWei-jun2

(1. Department of Computer Science, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402,China; 2. Department of Electromechanical Engineering, Guangzhou City Polytechnic, Guangzhou 510405, China)

In order to improve the electronic and information engineering students' application ability, a mobile robot experimental platform based on internet of things has been designed. This platform consists of two parts: mobile robot system and phone client. The mobile robot system has the features of obstacle avoidance, gas detection, infrared perception and video capture, and can be controlled remotely via phone clients. A detailed explanation about the implementation of this platform has been provided and the related experiment result is given. This platform has covered almost all information technology related subjects including electronics, automation, mechanical electronic engineering and computer science. And the professional knowledge can be merged into the experiment via comprehensive experiments. The practice has proved that this platform can help students to have a better understanding about techniques of learning and using professional knowledge.

mobile robot; experimental platform; internet of things; embedded system

2014-04-21

全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013年度課題及子課題(136240994，136240994-0002);廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2012年度課題(2012JK004);廣東省高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目;廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(2013LYM0104);廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度課題(12A169);中山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013A3FC0278);電子科技大學(xué)中山學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目(ZLGC2012JY04,ZLGC2012JY01)

楊 亮(1980-)，男，江西婺源人，碩士，講師，研究方向：智能機(jī)器人系統(tǒng)與技術(shù)。

Tel.：18688104346；E-mail: alex.8341@qq.com

G 642；TP 242

A

1006-7167(2015)03-0233-04