機器人信號傳輸技術方法的研究

楊帥 張現征 王興龍 陳超

摘 要：文章介紹了機器人兩種信號傳輸技術方法：利用無線網絡技術，通過構建無線網絡實驗平臺，在無線網絡技術和Socket通信的基礎上，使用Socket通信使服務器和客戶端連接，實現信號傳輸；利用TCP/UDP協議實時傳輸協議和RTP/RTCP實時傳輸控制協議，通過網絡的傳輸層協議，利用本地優秀化的網絡資源，在客戶機和服務器之間提供數字化的信號傳輸信息。這兩種傳輸方法都提供了人類與機器人控制之間最實時、最有效的信息傳遞。

關鍵詞：機器人；信號傳輸；無線網絡技術；Socket通信；RTP協議

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0166-02

Abstract： This paper introduces two kinds of signal transmission technology methods of robot： one is using wireless network technology， through constructing wireless network experimental platform， and on the basis of wireless network technology and Socket communication， using Socket communication to connect the server and the client， so as to realize signal transmission； the other one is using the real-time transmission protocol of TCP/UDP and the real-time transmission control protocol of RTP/RTCP， and through the transport layer protocol of the network， using the local excellent network resources， the digital signal transmission information is provided between the client and the server. These two transmission methods provide the most real-time and effective information transmission between human and robot controls.

Keywords： robot； signal transmission； wireless network technology； Socket communication； RTP protocol

1 概述

網絡機器人是通過因特網對機器人的行為動作給出指令。但是由于網絡機器人的發展技術還不夠嫻熟，機器人不可能完全達成我們交付給的任務，還需要人為為機器人提供關鍵性的指導。視頻信號是控制人員獲取機器人工作狀態的最有力途徑，就當前網絡機器人的視頻傳輸技術難題，本文提出了兩種解決辦法，一是基于無線網絡技術上的傳輸方法，二是基于TCP/UDP協議的實時傳輸協議（RTP）和實時傳輸控制協議（RTCP）實時視頻傳輸的方法。第一種視頻傳輸方法是在研究和分析通信協議、無線網絡技術和Socket 通信的基礎上，完成了機器人無線網絡視頻傳輸系統設計。第二種傳輸方法是運用網絡的傳輸層協議實現機器人的數字化視頻信息傳輸。

2 無線網絡技術下的信號傳輸

無線網絡技術下機器人的視頻信號傳輸主要就是通過基于Socket通信機制的網絡通信完成。Socket提供了基于網絡環境下進程間通信的一種方法。啟動Socket時服務器端過程為socket（）-> bind（）-> listen（）-> accept（）->send（）/recv（）-> closesocket（）。首先開啟服務器系統，調用系統程序的建立函數、通信連接函數、監聽函數、接受請求函數、發送函數和接收函數。建立函數的作用是創立一個通訊套接字，為通信做好準備。通信連接函數的作用是利用Socket通信時兩個計算機之間建立起通信，通信時間的長短取決于希望建立通信的計算機的個數。一般情況下個數為5個。之后就調用接受請求函數來同意請求，從而建立連接。連接建立后，兩個計算機之間就可以通過調用發送函數和接收函數來發送和接收數據， 客戶端和服務器是處在同一地位，數據傳送結束后，雙方都調用關閉函數關閉套接字。

無線網絡技術下的信號傳輸利用編程軟件，通過編寫Socket通信的代碼來完成程序的初步設計。在編寫代碼之前，要先用機器人的攝像頭錄下視頻信息，再用Socket建立起操作人員和機器人的聯系，并實現視頻數據的傳輸。信號傳輸過程中，機器人為主端，控制對象為從端。首先通過機器人身上的視覺采集器對機器人的視野信息進行捕捉，最初捕捉到的視頻信息是模擬的，通過模數轉換器轉換成數字形式的視頻信號，此時的視頻格式不能兼容，所以還要將圖像格式進行修改，最終修改成MJPEG標準格式。之后視頻數據通過無線發射模塊，轉換成無線信號。這樣，通過網絡機器人內部的芯片就會接收這個信號，接收完畢后，就會通過Socket傳輸到計算機上，操作人員就會在計算機上看到機器人的實時視頻圖像。計算機服務器端的實現主要由三個部分組成：硬件初始化和套接字，服務器端初始化和發送數據。具體實施過程：首先啟動服務器，建立Socket 通信和套接字，時刻探測網絡狀態，如果網絡狀態良好則啟動連接，運用多線程技術的同時性，一部分線程在機器人的芯片里通過Socket傳輸給操作人員，另一部分線程在傳輸過程中對視頻信息進行整理。整理完閉之后，操作人員打開計算機就會看到機器人的實時視頻圖像。

計算機客戶端接收從機器人發來的視頻數據并在計算機上進行瀏覽。操作人員接收到的圖像數據，還要經過一系列的操作，最后才能讀取視頻信息。具體過程：運用socket（）通信來創建請求連接關系的套接字，通過調用連接函數和機器人建立連接，操作人員發送一個連接請求，其中m_cSocket 和&saddr;分別是套接字的連接請求代碼和用來確定客戶端想連接的服務器端的套接字地址。控制人員和機器人之間建立了連接之后，就可以進行視頻數據傳輸了，調用接受函數可以接收數據。

3 TCP/UDP+RTP/RTCP協議下機器人的信號傳輸

TCP是在網絡分層中一種可以連接的、有較高穩定性的、可按編程代碼的數量為基礎的傳輸層通信協議，IETF的RFC 793負責規定它的工作內容。UDP協議是通報用戶協議，它的作用是協助TCP協議處理數據。利用TCP/UDP協議傳輸視頻信號，首先它是需要用戶連接的，需要連接的兩個用戶間通過請求連接信號，建立連接的通信信道。在信道建立完畢后，用戶就可以在道路上進行視頻信號數據傳輸了。但要注意的是這條信道在傳輸完畢后就要暫停使用，在經過一段休整期后才能繼續使用。它的優點就是不會發生數據丟失的情況，通信的用戶間通訊情況良好。在數據傳輸時，用戶間的通訊情況決定了能否進行新一輪的數據傳輸。發送方和接收方如果通訊狀態較差，將取消這次傳輸。它提供面向發送方與接受方的視頻傳輸，不是斷斷續續的，是連續性的。另外，它還能控制網絡視頻傳輸時所耗費的數據流量，傳輸的流量取決于本地網絡的地址穩定性。最后，TCP傳輸是相互的，用戶間可以同時相互傳遞信息。由于信息傳輸需要的連接步驟較為復雜，所計入的成本也就較高，普通用戶不會使用。在傳輸層的另一個協議UDP由于是面向無連接的，所以方便用戶使用。用戶可以不用打開負反饋功能，直接通過使用網絡UDP協議層的端口將所要傳輸的視頻數據發往另一臺主機，因而UDP協議傳輸的范圍很廣，途徑很多，而且不會存在延誤傳輸的可能性。此外，UDP傳輸數據是按照依次錄下的順序開始的，彼此的記錄間要有空隔。然而UDP也有兩面性，它在進行視頻傳輸時可能會發生錯誤，會出現數據亂序的可能性。而且數據流越大，某些重要的數據越可能亂序甚至消失，從而耽誤了視頻傳輸的實時性和準確性。所以UDP主要適用于較短視頻數據的實時傳輸。

實時傳輸協議RTP是針對Internet上多媒體數據流的一個傳輸協議，實時傳輸控制協議RTCP負責管理傳輸質量在當前應用進程之間交換控制信息。機器人在RTP/RTCP協議下傳輸視頻信號過程中，RTP協議的運行順序要先于UDP實行，RTP協議本身是一個獨立的傳輸層，不存在建立與下一傳輸層的連接，因此可以兼容與之匹配的其他傳輸層的協議，與它們一起被實行。在運行傳輸程序時，所編寫的代碼要包含RTP協議的運行代碼。在控制端，操作人員必須在寫程序的代碼時，把RTP的執行程序寫入運用RTP的總程序里，然后編寫連接的代碼，使RTP協議程序與UDP的網絡接口建立連接，構成通訊道路。這樣在接收端，RTP信息就可以進入到機器人的內部芯片里，因此開發人員必須在機器人芯片上編寫進允許RTP協議進入的程序代碼。與RTP有密切關系的RTCP可以讓接受方向RTP的發送方進行信息的應答，并監測QoS。為了對RTP數據傳輸的準確性做到最好，需要RTCP協議信息為應用程序找到本地網絡的最準確的信息，從而使網絡資源起到重要的作用，從而達到資源利用率的最佳，使傳輸更加實時準確。運用RTCP協議的機器人會周期性地向操作人員發送視頻信息，該信息會詳細記錄機器人的實時工作狀況，操作人員可以通過視頻信息及時對機器人的運行程序以及工作參數進行修改。

4 結束語

無線網絡技術實現了機器人基于無線網絡和客戶機/服務器模型下信號傳輸，TCP/UDP協議實現了Socket套接字通信，RTP/RTCP協議為實時有效地掌握機器人的工作狀態，這些方法為未來網絡機器人視頻傳輸技術的研究提供了新思路。

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