機(jī)器人信號傳輸技術(shù)方法的研究

楊帥 張現(xiàn)征 王興龍 陳超

摘 要：文章介紹了機(jī)器人兩種信號傳輸技術(shù)方法：利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Socket通信的基礎(chǔ)上，使用Socket通信使服務(wù)器和客戶端連接，實現(xiàn)信號傳輸；利用TCP/UDP協(xié)議實時傳輸協(xié)議和RTP/RTCP實時傳輸控制協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議，利用本地優(yōu)秀化的網(wǎng)絡(luò)資源，在客戶機(jī)和服務(wù)器之間提供數(shù)字化的信號傳輸信息。這兩種傳輸方法都提供了人類與機(jī)器人控制之間最實時、最有效的信息傳遞。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；信號傳輸；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；Socket通信；RTP協(xié)議

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)機(jī)器人是通過因特網(wǎng)對機(jī)器人的行為動作給出指令。但是由于網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的發(fā)展技術(shù)還不夠嫻熟，機(jī)器人不可能完全達(dá)成我們交付給的任務(wù)，還需要人為為機(jī)器人提供關(guān)鍵性的指導(dǎo)。視頻信號是控制人員獲取機(jī)器人工作狀態(tài)的最有力途徑，就當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的視頻傳輸技術(shù)難題，本文提出了兩種解決辦法，一是基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的傳輸方法，二是基于TCP/UDP協(xié)議的實時傳輸協(xié)議（RTP）和實時傳輸控制協(xié)議（RTCP）實時視頻傳輸?shù)姆椒ā５谝环N視頻傳輸方法是在研究和分析通信協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Socket 通信的基礎(chǔ)上，完成了機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計。第二種傳輸方法是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議實現(xiàn)機(jī)器人的數(shù)字化視頻信息傳輸。

2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的信號傳輸

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下機(jī)器人的視頻信號傳輸主要就是通過基于Socket通信機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)通信完成。Socket提供了基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)程間通信的一種方法。啟動Socket時服務(wù)器端過程為socket（）-> bind（）-> listen（）-> accept（）->send（）/recv（）-> closesocket（）。首先開啟服務(wù)器系統(tǒng)，調(diào)用系統(tǒng)程序的建立函數(shù)、通信連接函數(shù)、監(jiān)聽函數(shù)、接受請求函數(shù)、發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)。建立函數(shù)的作用是創(chuàng)立一個通訊套接字，為通信做好準(zhǔn)備。通信連接函數(shù)的作用是利用Socket通信時兩個計算機(jī)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(jī)的個數(shù)。一般情況下個數(shù)為5個。之后就調(diào)用接受請求函數(shù)來同意請求，從而建立連接。連接建立后，兩個計算機(jī)之間就可以通過調(diào)用發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 客戶端和服務(wù)器是處在同一地位，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，雙方都調(diào)用關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉套接字。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shè)計。在編寫代碼之前，要先用機(jī)器人的攝像頭錄下視頻信息，再用Socket建立起操作人員和機(jī)器人的聯(lián)系，并實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸。信號傳輸過程中，機(jī)器人為主端，控制對象為從端。首先通過機(jī)器人身上的視覺采集器對機(jī)器人的視野信息進(jìn)行捕捉，最初捕捉到的視頻信息是模擬的，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jìn)行修改，最終修改成MJPEG標(biāo)準(zhǔn)格式。之后視頻數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊，轉(zhuǎn)換成無線信號。這樣，通過網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人內(nèi)部的芯片就會接收這個信號，接收完畢后，就會通過Socket傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，操作人員就會在計算機(jī)上看到機(jī)器人的實時視頻圖像。計算機(jī)服務(wù)器端的實現(xiàn)主要由三個部分組成：硬件初始化和套接字，服務(wù)器端初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)。具體實施過程：首先啟動服務(wù)器，建立Socket 通信和套接字，時刻探測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如果網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好則啟動連接，運(yùn)用多線程技術(shù)的同時性，一部分線程在機(jī)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(jìn)行整理。整理完閉之后，操作人員打開計算機(jī)就會看到機(jī)器人的實時視頻圖像。

計算機(jī)客戶端接收從機(jī)器人發(fā)來的視頻數(shù)據(jù)并在計算機(jī)上進(jìn)行瀏覽。操作人員接收到的圖像數(shù)據(jù)，還要經(jīng)過一系列的操作，最后才能讀取視頻信息。具體過程：運(yùn)用socket（）通信來創(chuàng)建請求連接關(guān)系的套接字，通過調(diào)用連接函數(shù)和機(jī)器人建立連接，操作人員發(fā)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(wù)器端的套接字地址。控制人員和機(jī)器人之間建立了連接之后，就可以進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸了，調(diào)用接受函數(shù)可以接收數(shù)據(jù)。

3 TCP/UDP+RTP/RTCP協(xié)議下機(jī)器人的信號傳輸

TCP是在網(wǎng)絡(luò)分層中一種可以連接的、有較高穩(wěn)定性的、可按編程代碼的數(shù)量為基礎(chǔ)的傳輸層通信協(xié)議，IETF的RFC 793負(fù)責(zé)規(guī)定它的工作內(nèi)容。UDP協(xié)議是通報用戶協(xié)議，它的作用是協(xié)助TCP協(xié)議處理數(shù)據(jù)。利用TCP/UDP協(xié)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(jìn)行視頻信號數(shù)據(jù)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(jīng)過一段休整期后才能繼續(xù)使用。它的優(yōu)點就是不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況，通信的用戶間通訊情況良好。在數(shù)據(jù)傳輸時，用戶間的通訊情況決定了能否進(jìn)行新一輪的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送方和接收方如果通訊狀態(tài)較差，將取消這次傳輸。它提供面向發(fā)送方與接受方的視頻傳輸，不是斷斷續(xù)續(xù)的，是連續(xù)性的。另外，它還能控制網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸時所耗費的數(shù)據(jù)流量，傳輸?shù)牧髁咳Q于本地網(wǎng)絡(luò)的地址穩(wěn)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(fù)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(xié)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(fù)反饋功能，直接通過使用網(wǎng)絡(luò)UDP協(xié)議層的端口將所要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)發(fā)往另一臺主機(jī)，因而UDP協(xié)議傳輸?shù)姆秶軓V，途徑很多，而且不會存在延誤傳輸?shù)目赡苄浴４送?，UDP傳輸數(shù)據(jù)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(jìn)行視頻傳輸時可能會發(fā)生錯誤，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂序的可能性。而且數(shù)據(jù)流越大，某些重要的數(shù)據(jù)越可能亂序甚至消失，從而耽誤了視頻傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性。所以UDP主要適用于較短視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸。

實時傳輸協(xié)議RTP是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議，實時傳輸控制協(xié)議RTCP負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。機(jī)器人在RTP/RTCP協(xié)議下傳輸視頻信號過程中，RTP協(xié)議的運(yùn)行順序要先于UDP實行，RTP協(xié)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(xié)議，與它們一起被實行。在運(yùn)行傳輸程序時，所編寫的代碼要包含RTP協(xié)議的運(yùn)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(zhí)行程序?qū)懭脒\(yùn)用RTP的總程序里，然后編寫連接的代碼，使RTP協(xié)議程序與UDP的網(wǎng)絡(luò)接口建立連接，構(gòu)成通訊道路。這樣在接收端，RTP信息就可以進(jìn)入到機(jī)器人的內(nèi)部芯片里，因此開發(fā)人員必須在機(jī)器人芯片上編寫進(jìn)允許RTP協(xié)議進(jìn)入的程序代碼。與RTP有密切關(guān)系的RTCP可以讓接受方向RTP的發(fā)送方進(jìn)行信息的應(yīng)答，并監(jiān)測QoS。為了對RTP數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性做到最好，需要RTCP協(xié)議信息為應(yīng)用程序找到本地網(wǎng)絡(luò)的最準(zhǔn)確的信息，從而使網(wǎng)絡(luò)資源起到重要的作用，從而達(dá)到資源利用率的最佳，使傳輸更加實時準(zhǔn)確。運(yùn)用RTCP協(xié)議的機(jī)器人會周期性地向操作人員發(fā)送視頻信息，該信息會詳細(xì)記錄機(jī)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(jī)器人的運(yùn)行程序以及工作參數(shù)進(jìn)行修改。

4 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了機(jī)器人基于無線網(wǎng)絡(luò)和客戶機(jī)/服務(wù)器模型下信號傳輸，TCP/UDP協(xié)議實現(xiàn)了Socket套接字通信，RTP/RTCP協(xié)議為實時有效地掌握機(jī)器人的工作狀態(tài)，這些方法為未來網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人視頻傳輸技術(shù)的研究提供了新思路。

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