基于手機控制的視頻機器人系統(tǒng)研究

籍遠明 熊林成

摘要：本文設(shè)計開發(fā)了基于手機控制的視頻機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件系統(tǒng)由電源模塊、視頻傳輸模塊、驅(qū)動板模塊和舵機云臺等部分組成，軟件系統(tǒng)包括上位機軟件編寫和單片機程序編寫。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)可以使用手機遠程遙控小車多種方式運動，實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境圖像信息采集、圖像實時傳遞和環(huán)境監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞：WiFi;Android設(shè)備;上位機;單片機

中圖分類號：TN929.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0112-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，機器人及其相關(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。手機作為我們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N通訊工具，尤其是智能手機在最初性能基礎(chǔ)上，其功能變得越來越豐富，目前大多數(shù)的智能手機都集成了加速度傳感器、重力感應(yīng)器、藍牙模塊、WiFi、攝像頭等，使得手機可以很好地識別各種指令，并作為控制端可以實現(xiàn)多種方式控制，識別的指令可以通過藍牙、WiFi、3/4/5G等信號傳輸給機器人，從而實現(xiàn)遠程設(shè)備控制，基于上述思想[1-4]。本文提出基于手機控制的視頻機器人系統(tǒng)實驗研究，利用安卓手機作為機器人控制器，快速搭建小型機器人平臺，終端控制設(shè)備采用手機，運動控制采用單片機搭建的移動小車，通過安卓提供的WiFi功能連接到機器人的WiFi模塊，發(fā)送控制命令控制其運動，并實現(xiàn)遠程小車的視頻拍攝和監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)中，上位機手機Android客戶端與下位機WiFi視頻小車之間，需要實現(xiàn)一個控制命令與視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(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，通過單片機驅(qū)動板與WiFi模塊上的小型路由器來實現(xiàn)，具體操作是在視頻小車的WiFi模板上安裝一個小型路由器，使視頻小車周圍一定范圍具有WiFi覆蓋，然后將安卓手機連接到WiFi模塊路由器IP地址，對其發(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控制系統(tǒng)進行交互通信。以安卓手機作為控制終端，通過WiFi傳輸指令來控制視頻小車的運行，同時接收視頻小車上搭載的攝像頭傳遞過來實時視頻畫面。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

智能小車選擇使用帶大電流保護板的18650鋰電池組，給整個單片機系統(tǒng)供電，使用標(biāo)準(zhǔn)的5.5mm×2.1mm的圓形充電接口，按下下位機驅(qū)動板上的總開關(guān)后，整個單片機系統(tǒng)就可以通電。電源網(wǎng)絡(luò)由以下三個部分組成：（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系統(tǒng)的電機驅(qū)動芯片供電，驅(qū)動小車電機工作;（2）經(jīng)過選波電路和降壓芯片降壓為5V后，給舵機、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、單片機芯片供電。

2.2 視頻傳輸模塊

本實驗中選擇使用的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，默認推送到8080端口。安卓設(shè)備連接到WiFi模塊的熱點后，打開控制軟件，會自動從8080端口獲取MJPG視頻流，并進行解碼、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，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，與單片機驅(qū)動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手機安卓客戶端發(fā)送給它的指令，由此實現(xiàn)WiFi智能小車的實時視頻傳輸功能。

2.3 驅(qū)動板模塊

按照系統(tǒng)整體設(shè)計思想，選取一款單片機驅(qū)動板51duino，51duino是一款基于8051核心單片機的創(chuàng)客拓展平臺，對比傳統(tǒng)的8051單片機，51duino使用了增強型的51內(nèi)核單片機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、電機等等。

2.4 攝像頭

本實驗中使用的攝像頭連接在WiFi模板上，目的是讓小車能實現(xiàn)視頻監(jiān)控的功能，由于WiFi模板上運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，這個攝像頭可以正好匹配到WiFi模板上的驅(qū)動程序。

2.5 舵機云臺

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計中的下位機開發(fā)使用的是Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)，用C語言編寫下位機程序，實現(xiàn)電機和舵機控制。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單片機的操控，控制程序采用C語言編寫，并利用Keil軟件進行編譯。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試主要是對手機、觸摸屏和智能小車的控制情況進行操作。首先打開機器人電源，等待三十秒鐘時間，系統(tǒng)啟動完畢;其次打開手機WiFi無線列表，找到WiFi-robots.com的無線熱點，連接上去，打開控制軟件，進入系統(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，點擊啟動按鈕，進入手機WiFi配置界面，連接到智能視頻小車的WiFi熱點，安卓手機客戶端軟件上就會顯示拍攝到的畫面，然后通過主控界面的控制按鈕鍵，就可以實現(xiàn)直接控制智能視頻小車的各種運動，例如前進、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、慢速行進等不同形式的運動，通過滑動屏幕，視頻小車上搭載的云臺攝像頭，就可以進行最大遠程距離90米范圍，水平面左右方向180°轉(zhuǎn)動，垂直上下空間90°的轉(zhuǎn)動角度拍攝現(xiàn)場實時畫面和視頻。

5 結(jié)語

本文設(shè)計和研究了基于手機控制的視頻機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)以智能小車為移動平臺，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，實現(xiàn)遠程現(xiàn)場環(huán)境圖像信息采集和實時傳遞功能，該系統(tǒng)具有良好的操控性和實用性，便于在危險、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。

參考文獻

[1] 廖建文，彭永杰，屈珣.多功能多操作WiFi智能小車設(shè)計[J].魯東大學(xué)學(xué)報，2015，31（3）：217-220.

[2] 高力，王庭友.基于STM32的無線實時監(jiān)控智能履帶小車設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2016（8）：12-14.

[3] 鄭創(chuàng)杰，劉芹.基于嵌入式Linux與單片機的WiFi監(jiān)控小車[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報，2016，29（4）：44-47.

[4] 郝禹程，李焱琪.基于WiFi智能小車的消防機器人[J].電子制作，2016（1）：22-23.

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