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)計了一個結(jié)合自動尋跡與遠(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)線實現(xiàn)自動尋跡，同時開發(fā)了機(jī)械臂動作記憶功能來自動完成指定的工作?，F(xiàn)場實驗測試結(jié)果驗證了本機(jī)器人系統(tǒng)的可行性,。

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

0引言

　　在當(dāng)今工業(yè)與信息的時代，自動化是社會追求的目標(biāo),，而智能機(jī)器人則是實現(xiàn)自動化的主要途徑之一,，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)給定線路自動尋跡,，并通過高速Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時視頻圖像采集與傳輸，操作人員實時監(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)動作。

1總體設(shè)計

　　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無線鏈路實時傳輸回上位機(jī),，同時上位機(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)動直流電機(jī),、模擬舵機(jī)來完成最終的動作實現(xiàn),，控制機(jī)器人的行為，實現(xiàn)交互式操作,。在監(jiān)控過程中,，操作員可根據(jù)現(xiàn)場情況隨時開啟或關(guān)閉機(jī)器人的自動循跡功能和6自由度機(jī)械臂動作記憶功能,。在固定的工作場所開啟自動尋跡功能時，PC端監(jiān)控自動循跡執(zhí)行情況或在出現(xiàn)緊急情況時對其進(jìn)行遙控,。開啟機(jī)械臂動作記憶功能時,，操作員通過上位機(jī)設(shè)定一系列動作后，機(jī)械臂便可以循環(huán)執(zhí)行這一系列動作,。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　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)動采用1片L298N驅(qū)動機(jī)器人左右主動輪的直流電機(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)計采用7個紅外光電傳感器，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,，各傳感器之間不會出現(xiàn)死區(qū)，同時便于安裝,，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,，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，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)動電路后分別控制兩個主動輪上直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，最終實現(xiàn)控制小車行進(jìn)方向和速度的功能［6］,。

3軟件設(shè)計

　　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,，驅(qū)動無線模塊作為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)行動作,。

　　3.2上位機(jī)軟件設(shè)計

　　3.2.1軟件程序框圖

　　上位機(jī)軟件主要實現(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尋跡和開啟動作記憶。如果開啟了自動尋跡,，則進(jìn)入自動尋跡模式,，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。檢測到障礙時機(jī)器人會自動停止并關(guān)閉自動尋跡并返回信息給上位機(jī),，上位機(jī)端會提示有障礙,，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尋跡,，自動尋跡檢測到終點(diǎn)時機(jī)器人會自動停止,。如果開啟了機(jī)械臂動作記憶，則通過遙控設(shè)定機(jī)械臂要完成的一系列動作,，之后機(jī)械臂就可以自動地循環(huán)執(zhí)行動作,。如果既沒有開啟自動尋跡功能也沒有開啟動作記憶，則進(jìn)入遙控模式,。操作人員在上位機(jī)端通過視頻監(jiān)控界面實時控制機(jī)器人行進(jìn),、轉(zhuǎn)向與機(jī)械臂的動作，直至終點(diǎn),。在遙控過程中,，可隨時開啟自動尋跡與機(jī)械臂動作記憶。

　　3.2.2視頻顯示的實現(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組件上就可以實現(xiàn)目的,。只要定時器的周期足夠短,，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)的動作。將6自由度的機(jī)械臂從下到上的6個舵機(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)程序主要介紹自動尋跡的實現(xiàn)。機(jī)器人實現(xiàn)自動尋跡的流程圖如圖8所示,。

　　圖8自動尋跡流程圖當(dāng)機(jī)器人位于白底黑線的路面上時,，機(jī)器人的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向都由左右兩個直流驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定。左右兩個直流驅(qū)動電機(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,，實現(xiàn)自動尋跡,。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實驗和測試

　　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,，上位機(jī)端視頻監(jiān)控畫面的流暢度,。流暢度分為3個等級：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,，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)器人自動尋跡測試

　　機(jī)器人自動尋跡測試實驗主要考察在不同輪廓路徑下路徑識別的準(zhǔn)確率,。自動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,。實驗測試分為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,。

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

　　機(jī)器人自動尋跡的測試如圖11所示。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種結(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)給定線路自動尋跡,，并通過高速WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時視頻圖像采集與傳輸。操作人員可實時監(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)動作，這些動作可在被記憶后自動執(zhí)行,。測試表明,，在空曠地帶時，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)計的模型機(jī)器人在服務(wù)業(yè),、工業(yè)自動化等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 譚民,王碩.機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展［J］.自動化學(xué)報,，2013,39(7):963964.

　　［2］ 王田苗,淘永.我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機(jī)械工程學(xué)報,2014,50(9):23.

　?。?］ 時巧,李財,鄧淵,等.智能巡線小車的設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(9):7880.

　?。?］ 呂霞付,羅萍.基于光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計［J］.壓電與聲光，2011,33(6):941942.

　?。?］ 宋永獻(xiàn),馬娟麗,賀乃寶,等. 基于TMS320F2812 的智能循跡小車控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制,，2011,19(9):21282130.

　　［6］ 李新科,高潮,郭永彩,等.基于語音識別和紅外光電傳感器的自循跡智能小車設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng),2011,30(12):106107.

　?。?］ 向誠,謝峰粹.基于WiFi和Android的智能探測車設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(12):8284.

　?。?］ 李波,楊衛(wèi),張文棟,等.一種智能小車自主尋/循跡系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制,2012,20(10):27982801.

　　［9］ 寧慧英.基于光電傳感器的智能小車自動尋跡控制系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器,2012(1):108110.