WiFi視頻傳輸機(jī)器人的設(shè)計(jì)

段英杰 霍新宇 王惠潔 盧洪武

摘 要：在礦井、火災(zāi)、震災(zāi)反恐等特殊環(huán)境下，人類一般無法第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場，研制一款機(jī)器人代替人類探測并將圖像、視頻信息快速回傳意義重大。WiFi是一種無線局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，憑借組網(wǎng)方便、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。文中將二者結(jié)合，設(shè)計(jì)了以WiFi為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸及控制的機(jī)器人系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：WiFi；機(jī)器人；傳感器；無線數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

在安防現(xiàn)場、礦井勘測、應(yīng)急救援等特殊環(huán)境中，需要將現(xiàn)場檢測到的圖像信息及時(shí)傳遞至監(jiān)控指揮中心，由于大部分視頻監(jiān)控設(shè)備移動(dòng)性差以及部分監(jiān)控現(xiàn)場存在風(fēng)險(xiǎn)性等原因，致使很多情況下實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)控難以實(shí)現(xiàn)[1]。本文將Android開發(fā)與OpenWrt系統(tǒng)開發(fā)相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于WiFi的智能視頻監(jiān)控遙控機(jī)器人，可通過手機(jī)實(shí)時(shí)收看現(xiàn)場圖像并發(fā)送控制指令，遙控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，第一時(shí)間掌握所需要的全部視頻圖像信息，并可現(xiàn)場錄像隨時(shí)拍照[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

WiFi視頻回傳機(jī)器人由履帶車體、無線路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機(jī)械臂及上下位機(jī)控制軟件等構(gòu)成[3]。總體設(shè)計(jì)思想是把無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個(gè)運(yùn)行于Linux系統(tǒng)的小電腦，利用WiFi的高速無線通信能力將符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮信號回傳到手機(jī)或電腦上位機(jī)上顯示，并通過上位機(jī)發(fā)送控制指令，遙控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由車體部分、路由器、攝像頭及云臺、核心控制板、機(jī)械臂等構(gòu)成，其中核心控制板主控芯片采用MSP430F149，MSP430系列單片機(jī)是16位的RISC架構(gòu)單片機(jī)，125 ns指令周期，相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，數(shù)據(jù)吞吐量更大[4]。MSP430系列單片機(jī)擁有豐富的外設(shè)和接口，USART串行接口能夠完成與WiFi模塊的通信，16位定時(shí)器具有捕獲/比較功能，方便產(chǎn)生多路舵機(jī)控制信號和帶死區(qū)控制的PWM電機(jī)調(diào)速信號[5]。電路部分主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、下載串口、單片機(jī)電路、紅外壁障、車燈控制以及數(shù)據(jù)通信接口等，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)壓、紅外等集成到一起，減少PCB面積，降低成本。

2.1 車體部分

WiFi機(jī)器人以坦克模型作為底盤，采用履帶式，此方式抓地能力強(qiáng)，可以輕松越過矮小障礙，并且具有速度快、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。我們在機(jī)器人上安裝了4自由度機(jī)械臂，可以前后左右上下六個(gè)方向完成各種復(fù)雜動(dòng)作，排除前進(jìn)障礙。車身裝配2個(gè)12 V/120轉(zhuǎn)直流電機(jī)，電池組電源12 V，可多個(gè)并聯(lián)使用，為機(jī)器人提供持久動(dòng)力。

2.2 攝像頭及云臺

自由度攝像頭云臺水平旋轉(zhuǎn)角度為±85度，俯仰旋轉(zhuǎn)角度為-10度～+75度。攝像頭采用30萬像素的高速工業(yè)攝像頭模塊，適合動(dòng)態(tài)拍攝，其接口采用USB通信協(xié)議，回傳的視頻圖像清晰，滿足設(shè)計(jì)需要。云臺由2個(gè)MG995數(shù)字舵機(jī)及其他輔助材料構(gòu)成，下位機(jī)接收到控制命令，控制這兩個(gè)舵機(jī)完成攝像頭上下左右四個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，擴(kuò)大視野范圍。

2.3 WiFi（路由）模塊

WiFi模塊采用搭載高通AR9331芯片的普通無線路由器刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，成為一個(gè)運(yùn)行Linux系統(tǒng)的小電腦，主要實(shí)現(xiàn)視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。該模塊符合國際標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n協(xié)議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無線熱點(diǎn)，最大連接速率可達(dá)150 Mb/s。天線將傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換為在自由空間中傳輸?shù)碾姶挪ǎòl(fā)射）以及相反變換（接收）[6]。

2.4 電機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用BTN7960B，它是一個(gè)完全集成的高電流半橋，因此采用兩片構(gòu)成全橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。BTN7960B提供了一個(gè)保護(hù)高電流PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本優(yōu)化解決方案，并且占用非常小的電路板空間。電源開關(guān)采用垂直MOS技術(shù)，確保最佳狀態(tài)阻力。圖2所示為BTN7960B與單片機(jī)組成的H電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

機(jī)械臂部位安裝MG995舵機(jī)，其內(nèi)部使用空心杯電機(jī)，金屬齒輪，雙滾珠軸承，最大扭矩為13 kg，能夠滿足機(jī)械臂的要求。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用LM2596ADJ開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，能夠穩(wěn)定輸出3 A的負(fù)載電流，其輸出電壓可調(diào)到6 V左右，最大不能超過6.5 V。該器件集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，允許我們使用更小尺寸的濾波器件，極大地簡化了電源電路設(shè)計(jì)[7]。同時(shí)，3 A的大電流能夠滿足多個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作的電流需求，減少舵機(jī)間的電源干擾。在電路設(shè)計(jì)中，我們還使用了多個(gè)濾波電容，在輸入端增加了濾波電感，進(jìn)一步提高電源的穩(wěn)定性。云臺舵機(jī)選用輝盛SG90舵機(jī)，響應(yīng)快，其重量僅為9 g，適合云臺使用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是機(jī)器人智能化的體現(xiàn)，它控制機(jī)器人所有的運(yùn)行狀態(tài)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)、無線WiFi路由器的刷機(jī)改造、無線WiFi路由器與單片機(jī)通信協(xié)議及軟件設(shè)計(jì)、基于安卓的智能手機(jī)客戶端控制軟件設(shè)計(jì)等[8]。軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 通信協(xié)議

通信協(xié)議是連接上位機(jī)與下位機(jī)的紐帶，由于單字符通信方式干擾較大，故采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用OXFF，包尾用OXFF，無校驗(yàn)位。部分協(xié)議規(guī)定如表1所列。

3.2 上位機(jī)

上位機(jī)是發(fā)送指令的部分，它向路由器發(fā)送視頻請求，路由端的視頻處理程序會(huì)把獲取的USB攝像頭視頻傳回上位機(jī)進(jìn)行解碼并顯示。

備注：電機(jī)動(dòng)作指令由于各人的接線方式不同，可能指令與動(dòng)作不對應(yīng)，只需要在上位機(jī)指令設(shè)置中調(diào)整指令位置即可

上位機(jī)的編寫通過TCP/UDP等通信方式，用Socket連接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由端[8]，本設(shè)計(jì)采用Client模式，路由端是服務(wù)器模式，無需轉(zhuǎn)發(fā)操作，直接連接WiFi機(jī)器人即可操控。客戶端軟件是基于安卓系統(tǒng)的App，通過修改網(wǎng)絡(luò)開源碼的通信協(xié)議部分代碼重新編譯開發(fā)而成，再整合安卓App和底層驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)建機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制[9]。上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 操作終端

3.3 下位機(jī)

跑在單片機(jī)系統(tǒng)的程序稱為下位機(jī)，在Keil5用C語言編寫下位機(jī)程序，包括初始化、外部中斷、定時(shí)器中斷、串口中斷、PWM中斷、AD中斷等[10]，其作用是接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)通信協(xié)議解碼分析，判斷上位機(jī)發(fā)出的是何種動(dòng)作，再為單片機(jī)芯片指定引腳賦高低電平，從而實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)使攝像頭云臺旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)向、紅外壁障、車燈控制、拍照等功能。

4 結(jié) 語

本文對基于安卓App遙控，以WiFi為視頻傳輸媒介的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理進(jìn)行了闡述，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試運(yùn)行，WiFi Robot的實(shí)際控制距離能達(dá)到10 m。WiFi機(jī)器人具有實(shí)時(shí)視頻傳輸、人工自主控制、紅外壁障等功能，而且采用WiFi自發(fā)射直接和手機(jī)通信，無需依賴公共通信網(wǎng)，特別適合無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的災(zāi)難救援現(xiàn)場及偏遠(yuǎn)地區(qū)的反恐偵察使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王宇陽，楊奕，韓志.基于Android設(shè)備的WiFi智能監(jiān)控機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2014，42（12）：2410-2414.

[2]劉啟彬.煤礦救援機(jī)器人軟件系統(tǒng)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[3]張學(xué)武，何玉鈞.基于WiFi的遠(yuǎn)程視頻傳輸智能機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].電子科技，2013，26（2）：4-7.

[4]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]李自珍，郭寶安.MSP430系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型[J].單片機(jī)與嵌人式系統(tǒng)應(yīng)用，2007，7（7）：11-13.

[6]李楊.WiFi技術(shù)原理及應(yīng)用研究[J].科技信息，2010（6）：241.

[7]邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8]曾彥淞，王忠民，王晨.基于WiFi的移動(dòng)機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，17（4）：87-91.

[9]擺云.基于Android開放平臺和無線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)音視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[10]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.