一種無線智能追蹤監(jiān)控操作工業(yè)機(jī)器人的研究?

吳陽明 尹曉丁 呂閃 金巳婷

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院大連116028）

一種無線智能追蹤監(jiān)控操作工業(yè)機(jī)器人的研究?

吳陽明 尹曉丁 呂閃 金巳婷

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院大連116028）

論文通過可控的行動(dòng)底盤為載體，通過無線WiFi視頻傳輸技術(shù)將視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X和手機(jī)的顯示終端，通過對顯示終端地操作，能實(shí)時(shí)有效控制行動(dòng)載體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，加入的GPS可以實(shí)時(shí)地定位行動(dòng)載體的地理信息，如海拔、經(jīng)緯度、速度等。其中也有檢測的傳感器，實(shí)時(shí)檢測當(dāng)時(shí)環(huán)境的一些指標(biāo)：瓦斯?jié)舛龋鹁鲭U(xiǎn)，氣象等，并通過LCD顯示終端顯示出來相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)可靠。論文論述的是一個(gè)綜合性的工業(yè)機(jī)器人，可以隨意實(shí)時(shí)地控制，體現(xiàn)的是實(shí)時(shí)的人機(jī)交互系統(tǒng)，多功能、多應(yīng)用是論文設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)。

WiFi無線技術(shù)；GPS技術(shù)；實(shí)時(shí)；多功能工業(yè)機(jī)器人

Class NumberTP391.44

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)器人成為了世界發(fā)展的潮流之一，它代替著人類做著一些重復(fù)復(fù)雜的工作。機(jī)器人技術(shù)的研究已從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到醫(yī)療服務(wù)、教育娛樂、勘探勘測、生物工程、救災(zāi)救援等新領(lǐng)域，并快速發(fā)展［1］。經(jīng)過五十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用［2］。換言之這是一個(gè)機(jī)器人的時(shí)代，我們需要它為人類工作，人類從而有更多的精力去做一些別的事情，機(jī)器人不僅為我們帶來先進(jìn)的生產(chǎn)力，也為我們帶來了技術(shù)上的革新?lián)Q代，本文會(huì)詳細(xì)地論述一款全新的工業(yè)機(jī)器人模型，也給未來的機(jī)器人制造做一些理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的情況，研制人類生活中需要的機(jī)器人。此款工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的工作中充當(dāng)一個(gè)機(jī)械的作用，也可在野外探險(xiǎn)，救助方面起到作用。它的特點(diǎn)是通過WiFi傳輸?shù)膮f(xié)議使得機(jī)器人能很快地改變工作程序，能實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，也可在批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，其可利用無線數(shù)傳系統(tǒng)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行精確控制，圖像的實(shí)時(shí)顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS的精準(zhǔn)定位，在野外救助起到很大作用。

2 系統(tǒng)的整體框架和設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的基本框架如圖1所示，整個(gè)功能是基于行動(dòng)載體來實(shí)現(xiàn)的，這樣既能夠更快更好地移動(dòng)位置，也能夠更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作，達(dá)到一個(gè)精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)控制的目的。人機(jī)交互的循環(huán)使用更能夠?qū)崟r(shí)地反映當(dāng)時(shí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，使得通過載體把GPS和WiFi技術(shù)融合起來，得到一個(gè)精確的控制。對于檢測部分的環(huán)節(jié)，需要把所有的檢測信息都能夠無失真的還原到顯示終端上。這樣就能夠?qū)崟r(shí)地檢測到當(dāng)前的環(huán)境質(zhì)量等因素，為后續(xù)的工作提供了一個(gè)實(shí)時(shí)的環(huán)境檢測，充分滿足了實(shí)時(shí)檢測的條件。

圖1系統(tǒng)的整體功能框圖

3 系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)

1）本設(shè)計(jì)采用的是ST公司設(shè)計(jì)的一款芯片STM32F103RC，程序存儲(chǔ)器大小為512 KB，存儲(chǔ)器容量為64KB，處理器速度為72MHz，此款處理器具有功耗低，內(nèi)核響應(yīng)處理數(shù)據(jù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足日常一般功能的開發(fā)需求，其最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2）本設(shè)計(jì)采用BTN7971的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，BTN7971是英飛凌公司推出的一款應(yīng)用于汽車空調(diào)調(diào)速上的工業(yè)級芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)上橋臂溝道和一個(gè)下橋臂溝道［3］。

BTN7971電機(jī)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)有：

*輸入電壓：7.2V～12V；

*驅(qū)動(dòng)電流：0～50A，峰值70A；

*工作頻率：0～25KHz（推薦3KHz～10KHz）；

*工作溫度：-5℃～75℃。

BTN7971電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有：

*雙BTN7971大電流H橋驅(qū)動(dòng)；

*雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)全橋；

*與單片機(jī)5V隔離，有效地保護(hù)了單片機(jī)；

*帶有驅(qū)動(dòng)使能開關(guān)。

圖2STM32F103RC最小系統(tǒng)

3）帶有視頻傳送的WiFi路由模塊：

此模塊為WiFi數(shù)傳模塊-64M，具有RX，TX，GND三條線，用來收發(fā)指令，此模塊是通過WiFi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)BSS進(jìn)行無線傳輸命令，通過攝像頭采集的圖像信息也是通過此模塊傳輸，獲取到顯示終端。WiFi可以提供熱點(diǎn)覆蓋、低移動(dòng)性和高數(shù)據(jù)傳輸速率，無線接入和高速傳輸是WiFi技術(shù)的主要特點(diǎn)［4］。綜合成本低，該技術(shù)使用的是2.4GHzISM頻段尚屬無需許可證即可使用的無線頻段，節(jié)省了很大的授權(quán)成本［5］。

WiFi技術(shù)是采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)BSS，這種網(wǎng)絡(luò)的工作站之間不需要經(jīng)過授權(quán)與認(rèn)證就可以直接通信，但是要求兩者距離在直接通信的范圍之內(nèi)。這種網(wǎng)絡(luò)具有地位等同、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、靈活性好、和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)［6］，如圖3所示。

圖3WiFi的BSS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所需要的視頻圖像是通過WiFi路由協(xié)議傳輸?shù)斤@示終端，以便人為的觀察，從而更好地控制工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)的姿態(tài)，WiFi路由接收到指令后作出相應(yīng)的判斷，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

4）GPS模塊：

目前，它在航空、航天、軍事、交通、運(yùn)輸、資源勘探、通信、氣象等幾乎所有的領(lǐng)域中都被作為一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段和方法，充分顯示了這一衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度與高效益［7］。本設(shè)計(jì)采用的GPS模塊型號為NEO-6M UBLOX，有四個(gè)端口，分別是VCC、GND、RX、TX。此款GPS模塊通電后可以自行接收數(shù)據(jù)，采用的是一種通過NMEA協(xié)議進(jìn)行譯碼，后通過無線系統(tǒng)將信息完整地還原到顯示終端上。本設(shè)計(jì)采用的GPS能夠定位在6到7個(gè)衛(wèi)星，所顯示的定位結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠顯示具體的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（Nation?al Marine Electronics Association，NMEA）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議格式，目前已經(jīng)成為了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議［8］，GPS原理圖如圖4所示。

圖4NEO_6 GPS原理圖

本文采用的是差分GPS定位系統(tǒng)，其工作過程是在用戶接收機(jī)附近設(shè)置一個(gè)已知精度坐標(biāo)的差分基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的接收機(jī)連續(xù)接收導(dǎo)航信號，將測得的位置或距離數(shù)據(jù)與已知的位置、距離數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定誤差，得出準(zhǔn)確改正值，然后將這些改正數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)播給覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶，用以改正用戶的定位結(jié)果［9］。

GPS衛(wèi)星的定位原理是空間后方交會(huì)，GPS衛(wèi)星星座作為空間狀態(tài)已知點(diǎn)，其位置由衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文給出。以GPS衛(wèi)星與接收機(jī)天線之間空間距離為基本觀測量，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)即能確定用戶接收機(jī)所在點(diǎn)位的三維坐標(biāo)［10］。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)工作流程運(yùn)作及創(chuàng)新點(diǎn)論述

在此系統(tǒng)中，其工作流程是對接收的指令進(jìn)行精確合理的處理，這需要對系統(tǒng)核心控制器進(jìn)行算法編程，其關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)如圖5所示。

通過WiFi路由接收到的指令，內(nèi)核接收到指令后，其操作相應(yīng)的寄存器，從而觸發(fā)定時(shí)器產(chǎn)生中斷，這里通過觸發(fā)產(chǎn)生跳變沿輸出比較PWM波形，調(diào)節(jié)輸出通道和占空比等參數(shù)，可以實(shí)時(shí)地對其動(dòng)作的精準(zhǔn)控制，從而達(dá)到工作的需求，其工作流程如圖6所示。

圖5系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在于把日常生活中普遍的技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)當(dāng)中，是把WiFi技術(shù)和GPS技術(shù)相融合，以此為基礎(chǔ)來傳輸信息和實(shí)現(xiàn)定位的功能，對定時(shí)器程序的調(diào)用編程設(shè)置命令，再通過WiFi傳輸命令實(shí)行反饋命令進(jìn)行姿態(tài)控制。在無人監(jiān)管的情況下，可以通過GPS技術(shù)將具體的位置信息實(shí)時(shí)地反饋回來，特別適用于野外探險(xiǎn)和救助方面，此兩款技術(shù)目前來說非常容易獲得，所以應(yīng)用起來非常的方便，也可以節(jié)省很多資源，并且改善信息獲取的不精確問題。

圖6系統(tǒng)工作流程運(yùn)作原理框圖

5 結(jié)語

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證是完全可以實(shí)現(xiàn)的，可為后期大型工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)做一個(gè)理論鋪墊和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。此款工業(yè)機(jī)器人可采取多種多樣的主控，功耗低，傳輸信號穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)反饋，這些是最關(guān)鍵的因素，但最終需要做成大型機(jī)器實(shí)體還需要很多的機(jī)械因素，在工作過程中的環(huán)境因素等等。如何使得WiFi和GPS兩者技術(shù)相融合，使得兩者互相輔助，兩者的傳輸過程中抗干擾能力更強(qiáng)，能夠讓此功能變得更完善，進(jìn)行實(shí)時(shí)的匹配，又能夠在一定的程度上相互補(bǔ)充信息，也是后續(xù)所研究的方向。為更多的工業(yè)機(jī)器人做到實(shí)時(shí)反饋和控制而努力。

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Research on A Wireless Tracking and Monitoring the Operation of Intelligent Industrial Robots

WU YangmingYIN XiaodingLV ShanJIN Siting
（College of Electrical Information，Dalian Jiaotong University，Dalian116028）

Regard the action by controlled chassis as the carrier，through a wireless WiFi video transmission technology re?al-time video can be transmited to the computer and mobile display terminal，by operating the display terminal，it can effectively control the real-time operations support real-time status，the added GPS real time can position action carrier geographic informa?tion，such as altitude，latitude and longitude，speed and so on.Which also has a sensor detection，real-time detection when some environmental indicators：gas concentration，fire distress，weather，and through LCD display terminal displays the corresponding data，real-time and reliable.In this paper，a comprehensive industrial robots is analyzed，it can be freely controlled in real time，reflecting the real-time interactive systems，multi-function，multi-application is the main feature of this paper design.

WiFi wireless technology，GPS technology，real-time，versatile industrial robot

TP391.44

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.07.023

2017年1月3日，

2017年2月19日

吳陽明，男，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)。尹曉丁，男，碩士，研究方向：研究方向：嵌入式技術(shù)。呂閃，女，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)、通信及關(guān)鍵技術(shù)。金巳婷，女，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)、通信及關(guān)鍵技術(shù)。