基于WiFi技術(shù)的智能搜救機(jī)器人

張浩華 趙小姝 劉玲 于欣禾 程立英

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控，依托WiFi網(wǎng)絡(luò)和遙控機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)智能搜救機(jī)器人，引入多種傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控和救援。通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，下位機(jī)軟件將機(jī)器人采集到的視頻信息傳送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)所接收到的視頻信息向下位機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動(dòng)監(jiān)控。通過在機(jī)器人車體上搭載機(jī)械臂拓展機(jī)器人的搬運(yùn)功能，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場障礙物清除工作。重點(diǎn)闡明了基于WiFi技術(shù)的智能控制機(jī)器人系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的智能搜救機(jī)器人能有效實(shí)現(xiàn)災(zāi)后現(xiàn)場的遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控和救援，具有一定的可靠性和實(shí)用性。

關(guān) 鍵 詞：WiFi；移動(dòng)監(jiān)控；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

（寶寶，英文摘要在文后，麻煩你找一下）

0引 言

近年來地震、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，災(zāi)后搶險(xiǎn)救援工作更是因?yàn)楝F(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、通訊中斷等問題變得極為困難。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)因其無線接入、高效傳輸、價(jià)格低廉等特點(diǎn)迅速進(jìn)入人們的視野[ ]，并被眾多的專家、學(xué)者運(yùn)用到智能控制的研究中。通過WiFi網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)器人能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人的操控局限性，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻圖像傳輸以及機(jī)器人攜帶傳感器的相關(guān)信息采集，更能夠使機(jī)器人的控制端便捷化、多樣化。

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的智能搜救機(jī)器人是以IAP15F2K61S2芯片為核心控制器，加上無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的履帶式機(jī)器人。根據(jù)履帶式機(jī)器人的功能要求設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制；通過在小車上增設(shè)視頻攝像頭、紅外線傳感器、超聲波傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對周圍環(huán)境信息的采集；通過無線WiFi模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與控制終端之間的通信，采用2.4G無線通信技術(shù)[ ]實(shí)現(xiàn)語音、圖像、視頻等信號(hào)的無線傳送?？刂平K端可以選擇PC機(jī)、智能手機(jī)或平板電腦等智能設(shè)備，通過安裝C#語言開發(fā)的PC端和Android系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的無線控制。并通過增加超聲波傳感器，機(jī)械臂

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能搜救機(jī)器人的系統(tǒng)主要由控制終端、硬件電路和軟件設(shè)計(jì)三個(gè)模塊組成，其硬件部分主要包括處理器、機(jī)器人載體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源供電系統(tǒng)、傳感器、機(jī)器人顯示屏、無線通信模塊、機(jī)械臂、攝像頭等。

2.1處理器選擇及設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片，該芯片是增強(qiáng)型的8051CPU，1T單時(shí)鐘機(jī)器周期，速度比普通8051快8-12倍。具有ISP/IAP（在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程）功能，并且不需要編程器仿真器，可以直接當(dāng)仿真器使用。片內(nèi)擁有大容量2048字節(jié)的SRAM和EEPROM，可擦寫10萬次以上。片內(nèi)還擁有8通道10位高速ADC和3路PCA模塊。開發(fā)板上還搭載了許多功能模塊，完全能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求。

2.2機(jī)器人載體及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為滿足機(jī)器人搭載多個(gè)功能模塊的載重需求，克服作業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境要求，本次設(shè)計(jì)選用了大功率路虎雙履帶式車體底盤作為機(jī)器人載體。履帶式底盤具有很強(qiáng)的附著力和越障能力，可在凹凸不平的地面上行走，能夠適應(yīng)災(zāi)后復(fù)雜的地形變化。為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)流暢，在設(shè)計(jì)中為路虎底盤安裝了兩個(gè)12V大功率電機(jī)，同時(shí)采用了L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。L298N芯片是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片，即可

驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，電路簡單，使用方便。

2.3舵機(jī)云臺(tái)攝像頭

攝像頭[ ]是捕捉作業(yè)現(xiàn)場視頻信息的重要部件，為適應(yīng)災(zāi)后現(xiàn)場煙霧、灰塵等不良因素的影響，本次設(shè)計(jì)為機(jī)器人配備了高清免驅(qū)攝像頭和紅外攝像頭，提升了黑暗條件下的圖像捕捉能力，增強(qiáng)了對人體等生命信息的辨識(shí)能力，提升了機(jī)器人的搜救效率。攝像頭采用了雙軸云臺(tái)底座，可實(shí)現(xiàn)上下、左右各180度旋轉(zhuǎn)，增大了攝像頭的掃描范圍。云臺(tái)通過PWM脈沖控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)云臺(tái)移動(dòng)到特定位置時(shí)，控制終端發(fā)送動(dòng)作命令，云臺(tái)根據(jù)接受到的PWM脈沖長度調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)多角度多方位的現(xiàn)場視頻信息采集。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊[ ]是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與機(jī)器人小車控制端通信的主要部件，也是整個(gè)無線智能視頻監(jiān)控機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。無線通信模塊需要與單片機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)采用的是TTL串口通信，所以本次設(shè)計(jì)選擇了帶有TTL串口的WiFi模塊。把普通的無線路由器[ ]刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個(gè)運(yùn)行了Linux系統(tǒng)的小電腦。然后在機(jī)器人小車上安裝設(shè)置Ser2net程序、驅(qū)動(dòng)、加載USB攝像頭。通過在WiFi模塊中安裝mjpg-streamer程序，對USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后以無線傳輸?shù)姆绞椒祷氐絇C機(jī)（或Android手機(jī)）控制端。無線路由器一般都預(yù)留TTL串口，主要用來調(diào)試或者刷機(jī)。WiFi把這個(gè)TTL串口引出來，通過安裝在路由器中的Ser2net軟件，把WiFi信道的指令傳輸?shù)酱谳敵觯诰涂梢耘c單片機(jī)芯片MCU通信[ ]，把指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片上，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作任務(wù)。

2.5機(jī)械臂

機(jī)械臂[ ]是機(jī)器人動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要任務(wù)是抓舉或搬運(yùn)重物，因此需要為機(jī)械臂提供足夠的動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂是具有6個(gè)自由度的機(jī)械臂，并且配備了6個(gè)MG996R大扭矩舵機(jī)，通過鋼架結(jié)構(gòu)組合到一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的多角度旋轉(zhuǎn)。

2.5傳感器及顯示屏

機(jī)器人車體搭載了一個(gè)溫濕度傳感器、3個(gè)超聲波傳感器和一個(gè)液晶顯示屏。

溫濕度傳感器[ ]采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，并且內(nèi)含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出信號(hào)，具有極高的可靠性和極強(qiáng)的穩(wěn)定性。DHT11傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，直接將檢測到的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到模塊。

超聲波傳感器[ ]使用HC-SR04超聲波傳感器，超聲波傳感器使用的是HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器所需供電電壓為5V，工作靜態(tài)電流小于2mA，感應(yīng)角度不大于15°，探測距離在2cm-450cm之間，探測精度可達(dá)0.3cm。

顯示屏采用Nokia5110液晶顯示屏，此液晶屏是84x48 的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4 行漢字。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 WiFi模塊

WiFi模塊通過構(gòu)建一個(gè)可以運(yùn)行TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)將機(jī)器人的上位機(jī)與下位機(jī)連接到一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器人啟動(dòng)后會(huì)首先創(chuàng)建一個(gè)套接字Socket，同時(shí)建立一個(gè)IP地址，用于監(jiān)聽有效的Socket端口，再調(diào)用accept函數(shù)從連接請求隊(duì)列中獲得連接信息，等待與操作終端構(gòu)成連接。若連接成功，則服務(wù)器端的線程與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，服務(wù)器端根據(jù)客戶端的請求做出相應(yīng)的處理；客戶端在接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要發(fā)送的控制信號(hào)設(shè)置移動(dòng)驅(qū)動(dòng)信息給服務(wù)器端；數(shù)據(jù)通信完成后關(guān)閉該線程，重新進(jìn)入主線程循環(huán)。

局域網(wǎng)通信是機(jī)器人上位機(jī)與下位機(jī)連接的重要環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中通信協(xié)議起到至關(guān)重要的作用。上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行通信有兩種方式，一種是單字符通信，另一種是數(shù)據(jù)包格式通信。由于單字符通信方式煩擾較大，因此本次設(shè)計(jì)采用了數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用0xFF，包尾用0xFF，無校驗(yàn)位。上位機(jī)利用無線網(wǎng)卡通過Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過解包機(jī)制把數(shù)據(jù)包解開，通過串口發(fā)送到單片機(jī)并通過控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作。其協(xié)議規(guī)定如表1所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)時(shí)接收并顯示W(wǎng)IFI模塊傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)、下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。軟件主界面中包含若干控制按鈕和視頻顯示窗口，控制按鈕用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接、開關(guān)視頻、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送機(jī)器人移動(dòng)命令、機(jī)械臂動(dòng)作命令等。上位機(jī)控制軟件使用C#.NET語言開發(fā)的客戶端，IDE為Visual Studio 2010[ ]。首先利用編程器的自帶控件設(shè)置客戶端的兩個(gè)窗口，包括一個(gè)顯示主窗口和屬性配置窗口，分別用于實(shí)現(xiàn)視頻顯示及運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人控制指令的自定義鍵值設(shè)置；再通過TCP/IP協(xié)議創(chuàng)建Socket套接字實(shí)例[ ]，對按鈕設(shè)置相應(yīng)的指令代碼；然后上位機(jī)通過Connect方法連接到路由器，通過Send方法向路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后使用Close方法關(guān)閉Socket以釋放所占用資源。

3.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序主要包括：主循環(huán)、串口中斷、定時(shí)器0中斷（舵機(jī)控制）等。

3.3.1 主循環(huán)

3.3.2 串口中斷

3.3.3 定時(shí)器0中斷

定時(shí)器0用于舵機(jī)控制的中斷服務(wù)子程序，并且為了最大限度地減少命令接收延時(shí)和防止數(shù)據(jù)丟失，我們將命令接收程序放在中斷服務(wù)程序中。當(dāng)路由器發(fā)來數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生串口中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中接收數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)組中。在接收完數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)分析函數(shù)，把數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)變量，最終執(zhí)行命令。

4系統(tǒng)運(yùn)行測試

經(jīng)測試證明，本機(jī)器人可通過上位機(jī)看到智能搜救機(jī)器人采集的視頻信息，通過上位機(jī)的對應(yīng)按鈕的操作，可控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本移動(dòng)功能，且履帶式底盤設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有良好的越障性能。并可在上位機(jī)上看到機(jī)器人采集的溫度、濕度和超聲波測量的距離?？煽刂茩C(jī)械臂實(shí)現(xiàn)簡單的動(dòng)作。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WiFi技術(shù)的智能搜救機(jī)器人，分別從機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測試等方面做了詳細(xì)介紹。基于WiFi技術(shù)的智能搜救機(jī)器人結(jié)合了實(shí)際需要，通過WiFi技術(shù)解決了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)回傳和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制的任務(wù)，可采用PC機(jī)或者Andriod系統(tǒng)手機(jī)等電子設(shè)備對機(jī)器人進(jìn)行控制，操作簡便，可應(yīng)用于多種危險(xiǎn)環(huán)境中的救援作業(yè)，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性、實(shí)用性和可推廣性。

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WiFi technology based Intelligent search and rescue robot

Zhao Xiaoshu，Zhang Haohua，Yu Xinhe

（College of Physical Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

Abstract：In order to realize real-time monitoring of the earthquake and the mud-rock flow，this article based on WiFi network and Remote control robot technology to design a set of Intelligent search and rescue robot，introducing a variety of transducer，to achieve real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.The superordination machine and the lower-computer through wifi network exchange information to each other. The software of singlechip processor to collected the robot video information transmitted to the PC and PC based on the received video information send control commands to the lower-computer to make mobile monitoring over a long distance come true.The robot's mechanical arm was loaded on robot to achieve equipments of handing so as to obstacles cleanup operation on the spot.This paper mainly expounded Intelligent control of robots of the hardware and software of the control system based on wifi network technology design.The experimental result shows that the design of the Intelligent search and rescue robot can effectively realize the real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.It is has certain reliability and practicability.

Key Words：WiFi；Mobile monitoring；Robot；

雜志郵寄地址（快遞可以收到）：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號(hào) 110034 趙小姝 15140156211

請為本論文開具發(fā)票，發(fā)票抬頭：沈陽師范大學(xué)

張浩華（1977年1月），陜西西安，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：智能控制、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用；

趙小姝（1993年1月），遼寧開原，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，碩士研究生，研究方向：智能控制、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；

通訊地址：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號(hào)（110034）；

郵箱：zxshude@163.com；

聯(lián)系電話：15140156211；

基金來源：遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（L2013418）；遼寧省科技廳博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（20141091）；沈陽師范大學(xué)博士科研項(xiàng)目啟動(dòng)基金