基于樹莓派的代理機器人系統

翁　碩

（1.福州大學物理與信息工程學院，福建福州　350000；2.福建省僑興輕工學校，福建福清　350301）

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基于樹莓派的代理機器人系統

翁碩1，2

（1.福州大學物理與信息工程學院，福建福州350000；2.福建省僑興輕工學校，福建福清350301）

摘要：為了彌補家庭服務從業人員的不足，解決中國的老齡化問題，本文提出了基于樹莓派的代理機器人系統。該系統實現了對家居環境參數的采集，建立代理機器人與遠程用戶的連接，實現信息反饋和控制。

關鍵詞：樹莓派；機器人系統；網絡傳輸

根據第6次全國人口普查數據，老齡化社會正在成為中國的現實。對老齡化國家來說，采用何種方式養老是非常重要的問題。在中國，絕大部分老年人都要通過居家養老度過自己的晚年。如果居家養老要雇傭專門的服務人員，這就會與老齡化社會勞動力緊張形成矛盾。另外由于生活節奏的加快和工作的壓力，也使得年輕人沒有更多時間陪伴自己的孩子。面對這一困境，本課題設計了集保安、家居助理為一體的代理機器人進入家庭，讓機器人來彌補服務從業人員的不足，為解決中國的老齡化問題做出貢獻。

1　系統框架

首先根據實際需求設計總體的電路結構，劃分功能模塊。按照整體結構圖進行硬件方面的制作，選用樹莓派作為ARM主板，并安裝Linux系統，如ArchLinux；為樹莓派安裝開發語言環境，如C（gcc）、Java（jre）；配置系統確保啟動時加載相應外部組件驅動，連接WIFI，運行指定程序。而開發程序過程則包括坐標管理系統、聲音、圖像采集和壓縮系統、感應器數據采集系統、通訊系統、驅動系統和尋路算法等。

2　硬件設計

基本硬件組成將由以下內容構成:①基于樹莓派構架計算機系統，具備計算、存儲、輸入、輸出能力。②連接攝像頭和MIC滿足音頻視頻傳輸，連接溫濕度感應器、全像紅外、和LCD顯示屏等組件完成交互的需求。③連接可充電鋰電池以滿足能量需求。④電機驅動板L298N連接驅動輪，以滿足移動的需求。⑤無線網卡、GSM模塊，無線路由。

（1）樹莓派。樹莓派即Raspberry Pi，又稱卡片式電腦，外形只有信用卡大小，它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有兩個USB接口和一個網口，可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。

（2）電機驅動L298N。L298N是一款用來驅動直流電機或者步進電機的芯片，其工作電壓高，工作電流大，工作電壓最高可達46V，瞬間輸出最大電流為3A。L298N內部集成了兩個H橋式驅動器，可以很方便的驅動直流電機或者步進電機。它提供四個信號引腳以及兩個使能控制端，在本系統中，四個信號控制引腳可以通過邏輯電平來控制。

3　軟件設計

機器人硬件方面的設計是實現應用需求的基礎，而系統的軟件設計則是機器人控制系統的靈魂。本課題的軟件部分可分為以下幾個部分進行實現。

（1）移動控制部分。機器人的控制系統要求可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的可擴展性、硬件可裁剪性。本課題中移動控制芯片采用電機驅動芯片L298N來實現電機的運動控制。微處理器控制兩邊轉輪的轉動以達到對輪式機器人運動方向的控制。

（2）運算部分。因為視頻、音頻和各電機的控制需要一個具備運算能力的裝置，經過多方考察比較，決定采用英文的樹莓派來解決這個問題。

（3）交互部分。基于樹莓派運行Linux系統，而基于該系統開發運行我們的程序，就能夠實現將采集到的環境信息、視頻和音頻信號經軟件算法運算后發送至控制方；并實現從網絡接收控制方指令并解析、應用，以實現機器人的移動、轉向，調整亮度等等指令。

（4）網絡部分。因為雙方的設備都可能有前置路由器進行了NAT（網絡地址轉換），致使受控和控制方無法直接建立數據連接，需要借用UPNP解決。以UDP協議傳輸，相對于穩定的TCP而言，UDP不必維持穩定的連接，對方可以短時間不在線（例如網絡從WIFI切換到3G或WIFI信號干擾嚴重或擁擠）。

（5）視頻傳輸部分。因為雙方的網絡可能非穩定（WI FI、GPRS），因此需要一個非流式圖形協議，為此我們開展了研究，希望研制出允許數據包丟失的塊式視頻壓縮算法，解決這個問題。

對于我們的代理機器人，在使用者都擁有更高等級的運算能力的設備中使用時，系統會自行實現JPEG算法對每幀進行獨立編碼并傳輸，這種方式能夠在語音優先的環境中確保圖像幀以可接受大量丟失的方式工作，類似于MotionJPEG。該方式實現的通信各端無需維持上幀數據也無需象H264那樣維持關鍵幀，在網絡不擁擠的任何時候接受到任何一幀都能夠正常還原最新圖像情況。

（6）音頻傳輸部分。因為雙方的網絡可能非穩定（WI FI、GPRS），因此需要一個非流式音頻協議，為此我們開展了研究，希望研制出一種非流式短幀音頻算法或者經過多方試驗得出使用G711算法，解決這個問題。能夠自行實現的針對PCM語音數據的ITU- TG711語音壓縮算法，G711為復雜度最低的語音壓縮算法，在任一使用者存在低運算能力設備時，此算法將被系統激活。該算法擁有較高的聲音質量但網絡帶寬占用較高，為最弱匹配算法。

4　結語

智能服務機器人進入家庭提供家庭安防、兒童娛樂教育、老人關照等多方面的服務是所有人的期望，也是公認的未來。本課題結合硬件制作和軟件調試等操作制作代理機器人，滿足了人們看顧和監管家里的需求，彌補了社會在代理機器人這方面的不足。

參考文獻

［1］嵇鵬程，沈惠平.服務機器人的現狀及其發展趨勢［J］.常州大學學報（自然科學版），2001，（6）：73-78.

［2］程寧波.基于GSM和ARM的家庭服務移動機器人控制系統設計［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2007.

［3］孫宏宇.基于ARM的輪式機器人控制系統設計［D］.大連：大連理工大學，2013.

Surrogate Robot System Base on Raspberry Pi

WENG Shuo1，2
（1.School of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350000，China；2.Fujian QiaoXing School of Light Industry，Fuqing，Fujian 350301，China）

Abstract:In order to make up for thedificiency of domestic service workers，solve the aging problem in China，This paper introduced a surrogate robot system base on Raspberry Pi.The system achieved the collection of the parameters related to household environment，established the link between the surrogate robot and the remote users，and achieved the feedback and control of information.

Key words:Raspberry Pi；robot system；network transmission

作者簡介：翁碩（1981-），女，高級講師，主要從事嵌入式系統的研究工作。

收稿日期：2016-01-12

中圖分類號：TP241

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0061-02