基于手機(jī)控制的視頻機(jī)器人系統(tǒng)研究

籍遠(yuǎn)明 熊林成

摘要：本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于手機(jī)控制的視頻機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)由電源模塊、視頻傳輸模塊、驅(qū)動(dòng)板模塊和舵機(jī)云臺(tái)等部分組成，軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件編寫和單片機(jī)程序編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程遙控小車多種方式運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境圖像信息采集、圖像實(shí)時(shí)傳遞和環(huán)境監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞：WiFi;Android設(shè)備;上位機(jī);單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）02-0112-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通等諸多領(lǐng)域。手機(jī)作為我們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N通訊工具，尤其是智能手機(jī)在最初性能基礎(chǔ)上，其功能變得越來越豐富，目前大多數(shù)的智能手機(jī)都集成了加速度傳感器、重力感應(yīng)器、藍(lán)牙模塊、WiFi、攝像頭等，使得手機(jī)可以很好地識(shí)別各種指令，并作為控制端可以實(shí)現(xiàn)多種方式控制，識(shí)別的指令可以通過藍(lán)牙、WiFi、3/4/5G等信號(hào)傳輸給機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制，基于上述思想[1-4]。本文提出基于手機(jī)控制的視頻機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，利用安卓手機(jī)作為機(jī)器人控制器，快速搭建小型機(jī)器人平臺(tái)，終端控制設(shè)備采用手機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制采用單片機(jī)搭建的移動(dòng)小車，通過安卓提供的WiFi功能連接到機(jī)器人的WiFi模塊，發(fā)送控制命令控制其運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程小車的視頻拍攝和監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，上位機(jī)手機(jī)Android客戶端與下位機(jī)WiFi視頻小車之間，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制命令與視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)方案是首先搭建系統(tǒng)的控制命令和視頻信息傳輸?shù)腤iFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)板與WiFi模塊上的小型路由器來實(shí)現(xiàn)，具體操作是在視頻小車的WiFi模板上安裝一個(gè)小型路由器，使視頻小車周圍一定范圍具有WiFi覆蓋，然后將安卓手機(jī)連接到WiFi模塊路由器IP地址，對(duì)其發(fā)送控制指令和接受視頻數(shù)據(jù)，路由器通過串口與單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互通信。以安卓手機(jī)作為控制終端，通過WiFi傳輸指令來控制視頻小車的運(yùn)行，同時(shí)接收視頻小車上搭載的攝像頭傳遞過來實(shí)時(shí)視頻畫面。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

智能小車選擇使用帶大電流保護(hù)板的18650鋰電池組，給整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)供電，使用標(biāo)準(zhǔn)的5.5mm×2.1mm的圓形充電接口，按下下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的總開關(guān)后，整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)就可以通電。電源網(wǎng)絡(luò)由以下三個(gè)部分組成：（1）經(jīng)過選波電路的大電容濾波后，電池電壓直接給單片機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電，驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)工作;（2）經(jīng)過選波電路和降壓芯片降壓為5V后，給舵機(jī)、WiFi模塊、攝像頭供電;（3）經(jīng)過選波電路和其他穩(wěn)壓芯片后，提供合適電壓給WiFi模塊芯片、單片機(jī)芯片供電。

2.2 視頻傳輸模塊

本實(shí)驗(yàn)中選擇使用的WiFi模塊，是基于開源路由器系統(tǒng)openwr1開發(fā)的固件，內(nèi)置了mjpg-streamer推流服務(wù)程序。WiFi模塊通過采集掛載在USB接口的MJPG格式的攝像頭數(shù)據(jù)，并編碼封裝成HTTP協(xié)議的視頻流，默認(rèn)推送到8080端口。安卓設(shè)備連接到WiFi模塊的熱點(diǎn)后，打開控制軟件，會(huì)自動(dòng)從8080端口獲取MJPG視頻流，并進(jìn)行解碼、顯示，WiFi模塊上的路由器預(yù)留有TTL串口，TTL串口可以用來調(diào)試或者刷機(jī)，把TTL串口引出來，然后通過安裝在WiFi模塊路由器里面的軟件，把來自WiFi模塊的指令轉(zhuǎn)到串口輸出，與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的芯片建立通信連接，WiFi視頻小車就可以接收到上位機(jī)手機(jī)安卓客戶端發(fā)送給它的指令，由此實(shí)現(xiàn)WiFi智能小車的實(shí)時(shí)視頻傳輸功能。

2.3 驅(qū)動(dòng)板模塊

按照系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想，選取一款單片機(jī)驅(qū)動(dòng)板51duino，51duino是一款基于8051核心單片機(jī)的創(chuàng)客拓展平臺(tái)，對(duì)比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，51duino使用了增強(qiáng)型的51內(nèi)核單片機(jī)STC11F32XE，其內(nèi)部擁有32KFlash，1280字節(jié)SRAM，板載晶振22.1184MHz。51duino可以驅(qū)動(dòng)常見的智能小車傳感器和外設(shè)，如紅外避障、超聲波、伺服舵機(jī)、電機(jī)等等。

2.4 攝像頭

本實(shí)驗(yàn)中使用的攝像頭連接在WiFi模板上，目的是讓小車能實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的功能，由于WiFi模板上運(yùn)行的是微型電腦系統(tǒng)，不能兼容大部分的攝像頭，所以選擇使用的是MJPG格式的攝像頭，這個(gè)攝像頭可以正好匹配到WiFi模板上的驅(qū)動(dòng)程序。

2.5 舵機(jī)云臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)研究中使用的智能視頻小車監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水平方向左右0°～180° 角度轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直上下空間0°～90°角度的旋轉(zhuǎn)拍攝，實(shí)現(xiàn)方法是由兩個(gè)舵機(jī)組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)云臺(tái)，把攝像頭安裝在上面，然后通過安卓手機(jī)操作，就可以實(shí)現(xiàn)控制云臺(tái)拍攝、顯示任意角度圖像和畫面記錄。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的下位機(jī)開發(fā)使用的是Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)，用C語言編寫下位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和舵機(jī)控制。該軟件能夠減少使用匯編語言開發(fā)的麻煩，并且本系統(tǒng)中軟件部分的主程序是對(duì)單片機(jī)的操控，控制程序采用C語言編寫，并利用Keil軟件進(jìn)行編譯。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試主要是對(duì)手機(jī)、觸摸屏和智能小車的控制情況進(jìn)行操作。首先打開機(jī)器人電源，等待三十秒鐘時(shí)間，系統(tǒng)啟動(dòng)完畢;其次打開手機(jī)WiFi無線列表，找到WiFi-robots.com的無線熱點(diǎn)，連接上去，打開控制軟件，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置頁面，設(shè)置視頻地址、控制地址、控制端口，基本動(dòng)作指令配置完成，指令設(shè)定好后，保存即可。在設(shè)置參數(shù)完成后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，進(jìn)入手機(jī)WiFi配置界面，連接到智能視頻小車的WiFi熱點(diǎn)，安卓手機(jī)客戶端軟件上就會(huì)顯示拍攝到的畫面，然后通過主控界面的控制按鈕鍵，就可以實(shí)現(xiàn)直接控制智能視頻小車的各種運(yùn)動(dòng)，例如前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左前轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右前轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、快速行進(jìn)、慢速行進(jìn)等不同形式的運(yùn)動(dòng)，通過滑動(dòng)屏幕，視頻小車上搭載的云臺(tái)攝像頭，就可以進(jìn)行最大遠(yuǎn)程距離90米范圍，水平面左右方向180°轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直上下空間90°的轉(zhuǎn)動(dòng)角度拍攝現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面和視頻。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和研究了基于手機(jī)控制的視頻機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)以智能小車為移動(dòng)平臺(tái)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建立無線連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場環(huán)境圖像信息采集和實(shí)時(shí)傳遞功能，該系統(tǒng)具有良好的操控性和實(shí)用性，便于在危險(xiǎn)、未知、狹小空間環(huán)境下的環(huán)境監(jiān)測、空間搜索和災(zāi)情救援等任務(wù)完成。

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Research on Video Robot System Based on Mobile Phone Control

JI? Yuan-ming，XIONG Lin-cheng

（School of? Mathematics and Physics， Qingdao University of? Science & Technology， Qingdao? Shandong? 266061）

Abstract：This paper designs and develops a video robot system based on mobile phone control. The system mainly includes hardware design and software design. The hardware system is composed of power module， video transmission module， drive board module and steering engine platform. The software system includes upper computer software and single chip computer program. The experimental results show that the system can use mobile phone remote control car to move in many ways， and realize the functions of on-site environmental image information collection， image real-time transmission and environmental monitoring.

Key words：WiFi;Android device;upper compute;single chip microcomputer