基于網絡控制的移動監控機器人的設計與研究

桂林電子科技大學 賀州學院 蘇南光

桂林電子科技大學 張華成

賀州學院 楊雄珍 賴麗萍

基于網絡控制的移動監控機器人的設計與研究

桂林電子科技大學 賀州學院 蘇南光

桂林電子科技大學 張華成

賀州學院 楊雄珍 賴麗萍

移動機器人監控系統應用在勘察和監控功能場所，采用無線網絡的方式，移動機器的監控和勘察不用受到有線的束縛，使得監控系統的操作更具靈活。本文對移動機器人無線監控系統的進行設計，介紹了上位機控制軟件、主控板控制、攝像頭視頻采集等幾個方面的設計與實現。通過實驗表明：設計的移動監控機器人系統，能應用到監控領域。

移動機器人；Arduino；視頻監控；無線傳輸

0 引言

移動監控機器人具有靈活的移動能力，并具有對周圍環境感知和視頻監控的能力，廣泛應用于樓宇、倉庫和家居，環境危險或惡劣情況中，代替操作人員進入現場，主要通過移動機器人傳回的視頻圖像和環境參數，就能對現場作出清晰的判斷。隨著嵌入式技術的進步，移動監控機器人的研究及實現技術進入了全新的發展階段[1]。在自動化和機械制造領域，各種各樣的自動化控制儀器等設備進行集中互聯起來已經成為發展趨勢[2]。如果利用互聯網技術將加工設備、機器人及現場控制系統等連接起來，就可以實現互聯網環境下的自動化。所以將機器人的控制技術、網絡技術相結合將具有非常重要的理論研究意義和廣泛的應用前景[3-7]。

本文通過模塊化、結構化等硬件設計思想，設計了能根據實際情況需要，隨時安裝不同功能的傳感器，并實現了具有無線網絡通信能力的移動監控機器人。為了監控移動機器人的速度信息、路面運行動態狀況、舵機信息、電機信息等實時運行情況，必須采集到移動機器人的相關狀態信息及運行的動態信息傳輸到上位機，上位機接收到移動機器人前端信息，實時判斷移動機器人的狀態，上位機經過判斷后，向移動機器人發出指令，可以設置相關參數，如速度、加速度和運動方向等。實現了遠端遙控現場機器人的運動，設計能方便的、人性化的移動監控機器人，可以使我們及時地收集關鍵數據，并對數據進行必要的處理。可見，移動機器人的開發，具有非常實際并有著極大使用意義[8]。

1 移動監控機器人系統總體設計

本系統設計主要包含下位機移動機器人硬件部分和上位機控制部分。對于下位機的設計包括了Arduino主控板和網絡攝像頭等部分，其中Arduino主控板主要用于收集各類傳感器的信息、對舵機、直流電機的控制功能；網絡攝像頭主要用于視頻信息采集。上位機控制部分，接收下位機傳遞上來的數據，經過PC端控制軟件，向下位機發出控制信息，同時可控制網絡攝像頭，獲取網絡攝像頭視頻信息，以及對攝像頭采集的信息進行軟件處理。

圖1 系統總體架構圖

圖2 控制系統結構框圖

系統總體架構如圖1所示。系統設計步驟：(1)根據設計要求，確定控制方案。(2)利用Altium Designer設計合理的硬件原理圖。(3)畫出程序流程圖，使用C#語言進行編程，運用Arduino進行模擬調試。(4)將各元件焊接在PCB板上，并將程序燒錄到單片機內。(5)進行調試以實現控制功能。

2 移動監控機器人系統硬件平臺搭建

移動監控機器人主要由Arduino UNO R3主控板電路、Robot-Link V4.0 AR WIFI模塊、L298N驅動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成[9]。其控制結構圖如圖2所示。

2.1 Arduino主控板電路

Arduino UNO R3主控板采用ATMEGA328P芯片作為控制單元。Arduino是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple I/O接口板（包括12通道數字GPIO，4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java，C語言的IDE集成的硬件和軟件。Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本。

2.2 無線WiFi路由模塊

由模塊采用的處理芯片是MT7620N，此路由器是OpenWRT系統，該系統是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統，擁有強大的網絡組件和擴展性，常常被用于工控設備、電話、小型機器人、智能家居、路由器以及VOIP設備中。該路由模塊可作為轉發站，實現USB攝像頭的加載及與單片機的串行通信。

2.3 視頻采集系統

視頻監控系統共分為視頻采集系統、云臺鏡頭控制系統、信號傳輸系統以及視頻處理系統。視頻監控技術采用基于嵌入式技術來實現，該技術具有體積小、穩定性高、無序現場值守、實時性好且結構簡單等優點。其工作過程為通過安裝在下位機的機器人上安裝攝像頭，攝像頭采集現場數據，上傳到上位機處理后，能實時地完成對現場情況的監控，并對其信息作出相應處理，特別是有異常情況發生時，能快速、實時地作出反應，幫助操作者提供正確的決策。

2.4 電機驅動模塊

采用L298N作為電機驅動芯片。L298N具有高電壓、大電流、響應頻率高的全橋驅動芯片，一塊L298N可以分別控制四個直流電機，并且帶有控制使能端。該電機驅動芯片驅動能力強、操作方便，穩定性好，性能優良。L298N的使能端可以外接電平控制，也可以利用單片機進行軟件控制，滿足各種復雜電路的需要。L298N是內部有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動芯片，可以用來驅動直流電動機、步進電動機。另外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題[10]。

2.5 電源模塊

由2200mAh 7.4 8A 保護板鋰電池組成。通過7805穩壓芯片穩壓，通過0.1uF和470μF電容進行濾波。

3 系統下位機以及上位機軟件設計

上位機控制程序采用C#語言進行編程，能夠實現通過Robot-Link V4.0 AR WIFI 模塊對下位機發送指令以及接收。同時也通過Wireless Module傳輸云臺的圖像信號到上位機的圖像顯示窗口。

上位機PC用戶端運行在控制端的控制程序，首先要建立服務器等待響應端的連接請求,在連接成功后則需要完成如圖3所示功能。PC遠程控制端軟件總體功能，主要包含視頻圖像解碼顯示、數據處理和顯示、控制信息數據的發送等部分。

圖3 PC控制終端總體功能框圖

下位機Arduino主控板采用Arduino IDE進行開發。Arduino語言基于wiring語言開發，是對avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎、編程基礎。因為Arduino的種種優勢，越來越多的專業硬件開發者已經或開始使用Arduino來開發他們的項目、產品；越來越多的軟件開發者使用Arduino進入硬件、物聯網等開發領域。

下位機是機器人的執行機構，其主要工作為收集各傳感器數據，按照相關協議將數據打包，從串口發送到上位機的服務器，同時接收上位機控制信息，通過接收串口命令、解析串口命令、驅動硬件，直接控制各個外部設備和傳感器，其運行于單片機上，主要程序流程如圖4所示。正常工作情況下，程序循環執行，接收命令、解析命令、執行命令、返回結果，根據控制命令設置 PWM 參數，控制直流電機轉速，從而控制機器人運動速度和方向。

圖4 下位機程序執行流程

圖5 移動監控機器人實物圖

4 系統測試

基于機械設計、硬件選擇、移動機器人原型的照片是在我們實驗室開發。移動監控機器人實物如圖5所示。機器人的機制實現使用四個固定輪子由四個直流電機控制。Arduino UNO R3單片機產生PWM信號控制的速度和方向。機器人是由給定的命令驅動在電腦系統軟件和關鍵算法運行。慣性傳感器、無線攝像機和直流電機安裝在機器人。系統設計完成后，需要對各部分反復進行測試，從測試過程中發現可能存在問題，為下次設計的改進提高依據，系統測試步驟也是驗證設計是否滿足要求。系統測試主要測試系統的硬件部分、軟件部分和控制部分，測試結果保證系統硬件滿足運行環境；測試軟件看是否正常啟動；測試控制端看是否正常響應用戶操作、是否發出正確控制命令和解析視頻數據，最后測試通訊協議和系統的實時性，看數據是否準確實時傳輸。

系統硬件測試上電后，檢查系統電壓、各模塊電壓是否正常；查看電壓電路的系統電壓是否存在短路情況，測試系統電壓是否為5V電壓等。軟件調試主要是將下位機控制部分程序燒入單片機，并直接將單片機串口轉接到PC，通過PC上的串口調試助手按協議發送控制命令，調試系統控制部分。控制器是否能正常解析命令并返回請求數據。

將開發好的上位機軟件在PC電腦中安裝，然后將網絡連接到機器人的無線“熱點”，這樣將上位機控制端、機器人端組成無線局域網絡；再在控制端界面中，將設置機器人的IP地址和端口號，上位機控制端和機器人了解成功后，在監控界面就能顯示機器人采集是視頻圖像，正常的實時視頻圖像如圖6所示。測試發送運動控制命令是否正常，視頻錄制和圖片保存是否正常。

圖6 實時視頻圖像

5 總結

本文設計并實現了一款基于網絡控制的移動監控機器人，并介紹了硬件和軟件的實現過程。具體工作內容包括：

⑴分析了機器人技術研究的現狀和發展趨勢，結合當前發展迅速的嵌入式技術和移動互聯網技術，提出了一種的移動監控機器人。

⑵完成了機器人硬件電路的設計和調試工作。搭建起了紅外線傳感加超聲波 模塊化的移動監控機器人硬件開發平臺。

⑶對整個系統進行了軟硬件測試，測試結果達到設計目標。

⑷實現機器人在無線網絡環境下運動。

⑸保留了擴展功能。機器人小車在完成設計預想的前提下，主要考慮了車體結構設計的簡單化，使之更具有普及性。由于設計要求并不復雜，沒有在電路中增加冗余的功能，保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴展和進一步的開發。

[1]Kovadic,Z.,Cukon,M.,Brkic,K.,et al,”Design and control of a four-flipper tracked exploration&inspection robot”,Control&Automati on(MED),2013 21st Mediterranean Conference on,2013,pp.7-12.

[2]Kasim M.Al-Aubidy,Mohammed M.Ali,Ahmad M.Derbas,et al,”GPRS-Based Remote Sensing and Teleoperation of a Mobile Robot”,10th International Multi-Conference on Systems,Signals and Devices(SSD),Hammamet,Tunisia,2013,pp.1-7.

[3]Marin,L.,Valles,M.,Soriano,A.,et al,”Event-Based Localization in Ackermann Steering Limited Resource Mobile Robots”,Mechatronics,IEEE/ASME Transactions on,vol.19,no.4,2014,pp.1171-1182.

[4]Han Xiao,Payandeh,S.,”Experimental design and analysis in kinematic-based localization in wireless mobile platform network”,Systems Conference(SysCon),2012 IEEE International,2012,pp.1-6.

[5]Dey,G.K.;Hossen,R.;Noor,M.S.,et al,”Distance controlled rescue and security mobile robot”,Informatics，Electronics&Vision(ICIEV),2013 International Conference on,2013,pp.1-6.

[6]Guangming Song,Kaijian Yin,Yaoxin Zhou,et al,”A surveillance robot with hopping capabilities for home security”,Consumer Electronics,IEEE Transactions on,vol.55,no.4,2009,pp.2034-2039.

[7]Sourangsu Banerji,”Design and Implementation of developed an Unmanned Vehicle using a GSM Network with Microcontrollers”,International Journal of Science,Engineering and Technology Research(IJSETR)Volume 2,Issue 2,2013,pp.367-374.

[8]Schmid,K.,Hirschmuller,H.,”Stereo vision and IMU based real-time ego-motion and depth image computation on a handheld device”,Robotics and Automation(ICRA),2013 IEEE International Conference on,2013,pp.4671-4678.

[9]Schwartz,F.P.,Benac,C.,Rocha,V.R.S.,et al,”Microcurrent Stimulation Device Controlled by ATMEGA328P-PU Chip and Android App”,2016 Global Medical Engineering Physics Exchanges/Pan American Health Care Exchanges(GMEPE/PAHCE),2016.

[10]Derbas,A.M.,Al-Aubidy,K.M.,Ali.et al,”Multi-robot system for real-time sensing and monitoring”,15th International Workshop on Research and Education in Mechatronics(REM),El Gouna,Egypt,2014,pp.1-6.

Design and Implement of Mobile Monitoring Robot Based on net control

Nangguang Su1,2，Huacheng Zhang1，Xiongzhen Yang2，Liping Lai2

（1Guilin University of Electronic Technology，Guilin，China2Hezhou University，Hezhou，China asunanguang00@163.com）

The mobile robot system can actually be applied to some of the places reconnaissance and monitoring，and the use of wireless networks，making the operating system more flexible，so that movement of the machine by monitoring and investigation without the shackles of cable.In this paper，we present the design and implementation of a mobile system with wireless for remote monitoring and control.It was composed of multiple sensors，control board，camera video capturer and wireless communication module.The robot prototype was manufactured and experimented.Experiment results of typical cases verified its flexibility and reliability.

Mobile Robot；Arduino Platform；Video Monitoring；Wireless Transmission

2015年廣西科學研究與技術開發項目“地方高校科普創新工作模式研究與平臺建設（項目編號： 2015ED31077）”；賀州市科學研究與技術開發計劃項目“基于物聯網技術的重點危險源監管模式研究（賀科攻1707041）”；2017年校級科研項目“具有可信增強功能的能源監控系統與管理研究（2017ZZZK03）”。

蘇南光（1989—），廣西岑溪人，大學本科，現就讀于桂林電子科技大學。

張華成（1970—），湖南寧遠人，高級實驗師，碩士生導師，主要研究方向：數據庫系統與計算機通信網絡組網工程。

楊雄珍（1966—），女，廣東信宜人，賀州學院機械與電氣工程學院院長、副教授，主要研究方向：物理學。

賴麗萍（1976—），江西定南人，助理研究員，主要研究方向：計算機應用技術。