何友奇1，蔣新華1,2，聶明星1,2

　　(1. 中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2. 福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350108)

　　摘要：為解決傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人采用無線電或紅外遙控方式可操控范圍較小的問題，在基于高速WiFi無線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)合自動(dòng)尋跡與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的6自由度機(jī)器人模型系統(tǒng)。該模型機(jī)器人通過高速WiFi實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)及視頻監(jiān)控，并采用紅外反射方式識別地面預(yù)設(shè)黑色引導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡，同時(shí)開發(fā)了機(jī)械臂動(dòng)作記憶功能來自動(dòng)完成指定的工作。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)證了本機(jī)器人系統(tǒng)的可行性。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)尋跡；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；機(jī)器人；動(dòng)作記憶

0引言

　　在當(dāng)今工業(yè)與信息的時(shí)代，自動(dòng)化是社會(huì)追求的目標(biāo)，而智能機(jī)器人則是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主要途徑之一，其在生活和工業(yè)等各領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛［1］。這其中搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)揮著重要的作用，主要代替人完成物體的夾取、運(yùn)輸、擺放工作，可工作于人類無法進(jìn)入或?qū)θ梭w有害的工作環(huán)境。傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人多采用無線電或者紅外的方式來進(jìn)行遙控，可操控范圍較小，并且需要特定的控制器［2］。因此，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合Wi-Fi無線控制的6自由度搬運(yùn)機(jī)器人，可根據(jù)給定線路自動(dòng)尋跡，并通過高速Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻圖像采集與傳輸，操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正機(jī)器人的行進(jìn)軌跡，并操作機(jī)械臂進(jìn)行拾取搬運(yùn)動(dòng)作。

1總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，主要由上位機(jī)控制端和機(jī)器人端構(gòu)成。上位機(jī)與機(jī)器人通過WiFi建立高速無線連接，機(jī)器人端的視頻數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無線鏈路實(shí)時(shí)傳輸回上位機(jī)，同時(shí)上位機(jī)的指令也通過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絎iFi通信模塊，再通過通信模塊的串口發(fā)給STM32F103ZET6組成的主控系統(tǒng)，由STM32F103ZET6分析接收到的指令并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、模擬舵機(jī)來完成最終的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，控制機(jī)器人的行為，實(shí)現(xiàn)交互式操作。在監(jiān)控過程中，操作員可根據(jù)現(xiàn)場情況隨時(shí)開啟或關(guān)閉機(jī)器人的自動(dòng)循跡功能和6自由度機(jī)械臂動(dòng)作記憶功能。在固定的工作場所開啟自動(dòng)尋跡功能時(shí)，PC端監(jiān)控自動(dòng)循跡執(zhí)行情況或在出現(xiàn)緊急情況時(shí)對其進(jìn)行遙控。開啟機(jī)械臂動(dòng)作記憶功能時(shí)，操作員通過上位機(jī)設(shè)定一系列動(dòng)作后，機(jī)械臂便可以循環(huán)執(zhí)行這一系列動(dòng)作。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1機(jī)器人系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人端硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制器采用高性能32位處理器STM32F103ZET6，最高工作頻率為72 MHz。視頻采集使用USB無驅(qū)攝像頭，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用1片L298N驅(qū)動(dòng)機(jī)器人左右主動(dòng)輪的直流電機(jī)，Wi-Fi通信模塊支持OpenWrt，無線傳輸速率為150 Mb/s，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的指令并把攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸回上位機(jī)端。障礙物檢測模塊采用紅外光電開關(guān)E18-D80NK，檢測距離在3~80 cm之間可調(diào)。

　　2.2電源模塊

　　主電源采用12 V鋰電池，10 000 mAh大容量，最大輸出電流為6 A，具有短路保護(hù)。該電源經(jīng)DCDC降壓后可以輸出12 V、5 V和3.3 V電壓，可以為兩個(gè)直流電機(jī)、STM32F103ZET6控制系統(tǒng)和WiFi通信模塊供電。機(jī)械臂6路舵機(jī)耗電量大且負(fù)載時(shí)電流較大，因此采用航模鋰電池獨(dú)立電源，規(guī)格為20 C/1 500 mAh/7.4 V，最大輸出電流為30 A，經(jīng)過兩個(gè)大功率降壓二極管后輸出電壓為6 V左右，為6路舵機(jī)供電。

　　2.3路徑識別

　　路面信息檢測模塊采用價(jià)格低、體積小、數(shù)據(jù)處理簡便的紅外反射式光電傳感器［3］，型號為TCRT5000，其檢測距離為1~2 cm；傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管。

　　本設(shè)計(jì)采用7個(gè)紅外光電傳感器，呈一字等間距排列，相互間隔1.5 cm，離地高度為1 cm。經(jīng)實(shí)際測試，用于識別黑色引導(dǎo)線效果良好，各傳感器之間不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)，同時(shí)便于安裝，說明光電傳感器的數(shù)量合理，空間位置設(shè)置可行。由于紅外光電傳感器發(fā)出的是錐形的紅外光，為了提高路徑信息檢測的前瞻性，傳感器與地面有一定的傾角［4］，傾角約為40°。圖2、圖3所示分別為傳感器發(fā)光示意圖和安裝示意圖。

　　TCRT5000的應(yīng)用電路如圖4所示。U1為電壓比較器LM324N，對信號進(jìn)行整形。當(dāng)傳感器檢測到路面黑線時(shí)，光線大部分被吸收，反射很弱，光敏晶體管無法導(dǎo)通，OUT端輸出高電平；當(dāng)檢測到白色地面時(shí)，光線大部分被反射，光敏晶體管導(dǎo)通，OUT端為低電平，這樣就完成了白色背景下黑色引導(dǎo)線的檢測［5］。

　　傳感器輸出的微弱電信號經(jīng)傳感器信號處理電路調(diào)理后送入單片機(jī)，單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行分析處理并做出邏輯判斷和尋跡控制決策后輸出兩路PWM 電機(jī)調(diào)速信號，PWM 信號再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后分別控制兩個(gè)主動(dòng)輪上直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)控制小車行進(jìn)方向和速度的功能［6］。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)軟件由上位機(jī)軟件、WiFi通信模塊程序和下位機(jī)程序三部分組成。WiFi通信模塊運(yùn)行OpenWrt，這在刷機(jī)階段完成。OpenWrt提供了相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)無線模塊作為WiFi網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，提供上位機(jī)通信連接；同時(shí)WiFi模塊把攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸回上位機(jī)端。PC上位機(jī)端和WiFi通信模塊端之間通過自定的通信協(xié)議完成通信，上位機(jī)軟件通過高速WiFi控制車體和機(jī)械臂的行為，WiFi通信模塊接收上位機(jī)發(fā)來的指令，并通過串口發(fā)送給下位機(jī)程序，下位機(jī)程序?qū)⒖刂浦噶钸M(jìn)行解釋并執(zhí)行，控制相應(yīng)部件執(zhí)行動(dòng)作。

　　3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　3.2.1軟件程序框圖

　　上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試、視頻監(jiān)控、機(jī)器人行進(jìn)及機(jī)械臂動(dòng)作控制等功能。程序框圖如圖6所示。運(yùn)行上位機(jī)軟件后，先判斷是否進(jìn)行調(diào)試，如果進(jìn)行調(diào)試的話，可以選擇串口方式或者WiFi的方式。調(diào)試完成后，連接路由器開啟攝像頭，再判斷是否開啟自動(dòng)尋跡和開啟動(dòng)作記憶。如果開啟了自動(dòng)尋跡，則進(jìn)入自動(dòng)尋跡模式，機(jī)器人在行進(jìn)過程中先檢測行進(jìn)路線上是否有障礙。檢測到障礙時(shí)機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止并關(guān)閉自動(dòng)尋跡并返回信息給上位機(jī)，上位機(jī)端會(huì)提示有障礙，操作人員遙控機(jī)器人通過障礙使其回到軌跡，再根據(jù)情況判斷是否開啟自動(dòng)尋跡，自動(dòng)尋跡檢測到終點(diǎn)時(shí)機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止。如果開啟了機(jī)械臂動(dòng)作記憶，則通過遙控設(shè)定機(jī)械臂要完成的一系列動(dòng)作，之后機(jī)械臂就可以自動(dòng)地循環(huán)執(zhí)行動(dòng)作。如果既沒有開啟自動(dòng)尋跡功能也沒有開啟動(dòng)作記憶，則進(jìn)入遙控模式。操作人員在上位機(jī)端通過視頻監(jiān)控界面實(shí)時(shí)控制機(jī)器人行進(jìn)、轉(zhuǎn)向與機(jī)械臂的動(dòng)作，直至終點(diǎn)。在遙控過程中，可隨時(shí)開啟自動(dòng)尋跡與機(jī)械臂動(dòng)作記憶。

　　3.2.2視頻顯示的實(shí)現(xiàn)

　　主要使用的組件有Timer、Image和IdHTTP。WiFi通信模塊可以把USB攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)傳回地址為http://192.168.8.1:8083/?action=snapshot的網(wǎng)頁上，只要在定時(shí)器的OnTime事件處理過程中調(diào)用IdHTTP組件的get方法不斷地快速打開該網(wǎng)頁獲取圖片，再把該圖片轉(zhuǎn)化為內(nèi)存流顯示在Image組件上就可以實(shí)現(xiàn)目的。只要定時(shí)器的周期足夠短，獲取網(wǎng)頁內(nèi)容的速度足夠快(即圖片幀率足夠快)，就能實(shí)現(xiàn)流暢的視頻效果。該Timer的屬性Interval設(shè)置為20，即每20 ms獲取圖片內(nèi)容并顯示，這樣畫面幀率達(dá)到50 fps，顯示效果足夠流暢。具體的定時(shí)器OnTime事件處理程序框圖如圖7所示。

　　3.3通信協(xié)議

　　通信協(xié)議是上位機(jī)與WiFi通信模塊連接的紐帶。上位機(jī)的指令采用數(shù)據(jù)包的格式，相比于單字符格式指令，數(shù)據(jù)包格式指令抗干擾性更強(qiáng)，指令傳輸正確率更高［7］。指令數(shù)據(jù)包由包頭、數(shù)據(jù)位加包尾構(gòu)成，沒有校驗(yàn)位；包頭固定為0XFF，包尾固定為0XFF。上位機(jī)軟件連接WiFi通信模塊后，通過Socket發(fā)送指令包到WiFi通信模塊。WiFi通信模塊接收到指令數(shù)據(jù)包后通過串口發(fā)送給STM32F103ZET6控制器，STM32F103ZET6根據(jù)指令控制各模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。將6自由度的機(jī)械臂從下到上的6個(gè)舵機(jī)編號為1~6。具體的通信協(xié)議如表1所示。 

　　3.4下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)程序主要介紹自動(dòng)尋跡的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡的流程圖如圖8所示。

　　圖8自動(dòng)尋跡流程圖當(dāng)機(jī)器人位于白底黑線的路面上時(shí)，機(jī)器人的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向都由左右兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。左右兩個(gè)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號由STM32F103ZET6的PA6和PA7輸出。根據(jù)傳感器檢測的不同的路徑信息，這兩個(gè)端口可以輸出占空比不同的PWM方波，占空比越高直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快［8］。通過分別控制左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以比較精確地控制機(jī)器人的行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向大小。

　　本系統(tǒng)設(shè)置路徑引導(dǎo)黑線寬1 cm。一字排列的7個(gè)光電傳感器在STM32F103ZET6的PB0~PB6端口上可以形成不同的狀態(tài)字，代表不同的位置信息。如果PB0~PB6的某個(gè)端口輸入是高電平“1”，則表示對應(yīng)的光電傳感器檢測到黑色引導(dǎo)線［9］。開啟10 Hz時(shí)基中斷后，每0.1 s中斷一次，在中斷中讀取PB0~PB6的狀態(tài)，完成傳感器信號掃描。根據(jù)PB0~PB6不同的狀態(tài)，STM32F103ZET6控制PA6和PA7輸出占空比不同的PWM信號，控制機(jī)器人沿黑線行進(jìn)和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡。具體的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向控制如表2所示，*表示此位可為“0”或者“1”。

4實(shí)驗(yàn)和測試

　　4.1上位機(jī)視頻監(jiān)控范圍測試

　　4.1.1上位機(jī)監(jiān)控界面

　　上位機(jī)軟件采用Delphi 7開發(fā)，監(jiān)控主窗口如圖9所示，由串口收發(fā)區(qū)、行進(jìn)方向控制區(qū)、攝像頭視頻顯示區(qū)、TCP Socket收發(fā)區(qū)、機(jī)械臂控制區(qū)以及數(shù)據(jù)采集區(qū)組成。

　　4.1.2視頻監(jiān)控的距離測試

　　該測試用來測試WiFi連接下視頻監(jiān)控的有效距離，地點(diǎn)選在室外空曠地帶，分別測試模型機(jī)器人距離上位機(jī)10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、80 m時(shí)，上位機(jī)端視頻監(jiān)控畫面的流暢度。流暢度分為3個(gè)等級：流暢、一般流暢、有卡頓。測試結(jié)果如表3所示。在30 m范圍內(nèi)，視頻監(jiān)控畫面清晰流暢；40~60 m范圍內(nèi)，視頻流暢度降低并出現(xiàn)卡頓；距離達(dá)到80 m時(shí)，WiFi連接已失效，視頻數(shù)據(jù)無法傳輸回上位機(jī)端。

　　4.2機(jī)器人自動(dòng)尋跡測試

　　機(jī)器人自動(dòng)尋跡測試實(shí)驗(yàn)主要考察在不同輪廓路徑下路徑識別的準(zhǔn)確率。自動(dòng)尋跡路徑測試場地如圖10所示,機(jī)器人出發(fā)點(diǎn)為A，經(jīng)過B、C、D、E、F、G,到達(dá)終點(diǎn)H。實(shí)驗(yàn)測試分為6組，分別為：B→C直線路徑測試,B→C→D 90°左轉(zhuǎn)折線路徑測試，C→D→E 90°右轉(zhuǎn)折線路徑測試，十字交叉點(diǎn)E測試，E→F曲率較小曲線路徑測試，F(xiàn)→G→H曲率較大曲線路徑測試。

　　每組實(shí)驗(yàn)分別測試20組，記錄成功次數(shù)和失敗次數(shù)，結(jié)果如表4所示。多次尋跡實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)尋線路經(jīng)為直線、90°折線及曲率較小的曲線時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)尋線的成功率為100%；當(dāng)尋線路徑為曲率較大的曲線時(shí)，機(jī)器人的尋線成功率降為90%。可見曲線的曲率會(huì)影響自動(dòng)尋跡的成功率。 

　　機(jī)器人自動(dòng)尋跡的測試如圖11所示。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合WiFi無線控制的6自由度模型機(jī)器人，該模型機(jī)器人可根據(jù)給定線路自動(dòng)尋跡，并通過高速WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻圖像采集與傳輸。操作人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控，修正機(jī)器人的行進(jìn)軌跡，并控制機(jī)械臂進(jìn)行拾取搬運(yùn)動(dòng)作，這些動(dòng)作可在被記憶后自動(dòng)執(zhí)行。測試表明，在空曠地帶時(shí)，40 m范圍內(nèi)視頻監(jiān)控畫面清晰流暢，對機(jī)器人的行進(jìn)控制以及機(jī)械臂的動(dòng)作控制都非常穩(wěn)定；機(jī)器人路徑識別的準(zhǔn)確率很高，自動(dòng)尋跡達(dá)到預(yù)期效果。經(jīng)過進(jìn)一步完善與改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)的模型機(jī)器人在服務(wù)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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