WiFi以其強大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率得到廣泛應用,。文中研究了無線視頻傳輸技術在機器人中的應用,。文中設計的WiFi機器人是以WiFi無線網絡為數據傳輸載體,，實現實時控制、音視頻傳輸和圖像采集等功能的智能系統(tǒng),。經測試,，該機器人可用于在反恐偵查、戰(zhàn)場C4ISR系統(tǒng),、消防救災,、生命探測等民用及軍事領域。
關鍵詞 WiFi,；機器人,；遠程視頻傳輸；數據采集
WiFi是一種無線局域網運用技術,，其出現以來,，憑借組網方便、易于擴展等特點,，有著廣泛的應用前景,。而無線接入和高速傳輸是WiFi的主要技術優(yōu)點，WiFi技術與機器人技術的結合便產生了WiFiRobot,。WiFi Robot是集遠程無線通訊,、音視頻傳輸、數據采集,、多向機械云臺,、燈光控制、環(huán)境檢測,、超聲波測距,、紅外壁障、超聲波領航,、動力四驅,、攝像頭云臺等功能為一體的多功能智能遙感機器人，以WiFi網絡作為數據傳輸平臺,，以高速MCU為數據處理中心,，可通過電腦、智能手機,、平板電腦等設備進行遠程控制,，并可拓展更多功能。
1 基本原理
設計的機器人所要實現的功能為：操作員在操作終端通過WiFi無線網絡連接到小車內置的WiFi模塊上,，并向其發(fā)出相關操作指令,，WiFi模塊接收指令并傳遞給內置的單片機，單片機通過控制電路讓機器人執(zhí)行相應的指令,；同時,，安裝在機器人上的各種傳感器和攝像頭可以通過WiFi網絡將數據反向傳遞給操作終端，從而實現上下行控制及雙向通信,，以便操作員實時了解機器人周圍的環(huán)境,，并根據環(huán)境情況發(fā)出指令控制機器人執(zhí)行特定的任務,，實現交互式操作，圖1為系統(tǒng)整體實現框圖,。
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2 硬件設計
硬件系統(tǒng)由車體部分,、路由器、攝像頭及云臺,、驅動板,、紅外壁障、車燈部分等構成,。
(1)車體部分,。車體部分主要由4個12 V／120轉直流電機和電池組構成，電機兩兩并聯,，相當于驅動兩個電機,。為方便電池充放電，設計了充放電電路,，只需撥動開關即可實現充放電操作,。電池組電源12 V，可多個并聯使用,，為機器人提高持久動力,。
(2)攝像頭及云臺。攝像頭選擇高質量高清攝像頭進行監(jiān)控,，攝像頭滿足0°～180°水平,，0°～180°上下旋轉，可以遠程打開或關閉,。攝像頭型號為索尼PS2,，通訊接口為USB協議。云臺由2個MG995數字舵機及其他輔助材料構成,。
(3)路由器(WiFi模塊),。WiFi模塊采用TP—LINK全新推出的150 Mbit·s-1迷你型3G無線路由器。該路由器具有尺寸小,，供電電壓低的特點,。其供電電壓只有5 V，且支持OpenWrt,。OpenWrt是一個基于Linux的開源路由固件，提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理,，對支持OpenWrt的路由器刷機后,，其相當于一個Linux小系統(tǒng)。路由器選擇OpenWrt作為操作系統(tǒng),，將USB攝像頭采集的現場圖片發(fā)給遠端的PC控制終端,，并將上位機發(fā)出的命令通過串口轉發(fā)給單片機控制系統(tǒng),。
(4)驅動模塊?？刂瓢逯饕娫茨K,、電機驅動、舵機驅動,、下載串口,、單片機電路、紅外壁障,、車燈控制以及數據通信接口等,。在此主要介紹電機驅動和舵機驅動兩個驅動模塊。電機驅動采用英飛凌公司的BTS7960直流電刷電機驅動芯片,，其具有大電流MOSFET半橋結構,。芯片具有較高的集成度和足夠的輸出能力，并在能耗方面具有優(yōu)勢,。在集成化和小型化的電機控制系統(tǒng)中,，適合作為理想的電機驅動芯片。
圖2為BTS7960與單片機組成的H電機驅動單元,。由于所采用驅動芯片是半橋,，因此需要采用兩片以構成全橋實現電機的正反轉。
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單片機產生2路PWM輸出作為兩片BTS7960的控制信號,，同時要求PWM0,、PWM1不能同時為高電平。采用定時器輸出硬件PWM脈沖,，使得單片機CPU只在改變PWM占空比時參與運算,，這樣可大幅減輕系統(tǒng)運算負擔和PWM軟件編程成本。
線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調,、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點,，但是由于其線性調整工作方式在工作中會造成較大的“熱損失”，導致其電源利用率不高,、工作效率低下,，不易達到便攜式設備對低功耗的要求。因此為保證較高的電源利用率,，舵機驅動采用LM2596開關型穩(wěn)壓芯片實現,，它可以提供3 A以上電流，驅動強勁,。圖3給出了舵機驅動方案,。
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由于舵機型號為MG995，其工作電壓為5．0 V～7．0 V,。因此舵機驅動芯片選擇了可調LM2596-ADJ芯片,，其輸出電壓Vout=Vref(1．0+R2／R1),，其中，Vref=1．23 V為芯片內部參考電壓,。
3 軟件設計
軟件部分是機器人智能化的體現,，它控制WiFiRobot所有的運行狀態(tài)。整個軟件系統(tǒng)體系結構如圖4所示,。
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操作系統(tǒng)采用OpenWrt,，此部分在路由器刷機部分完成，主要完成視頻采集,、數據傳輸,、轉發(fā)等功能。上位機軟件控制燈光控制,、拍照,、實時控制機器人運動等行為。下位機軟件通過接收來自上位機的命令,，從而執(zhí)行相應操作,。而連接上位機和下位機之間的紐帶就是通信協議，軟件部分包括通信協議,，客戶端控制軟件和下位機軟件,。在此主要介紹通信協議和上位機的開發(fā)。
3．1 通信協議
上位機采用數據包格式傳送指令,，也可以采用單字符的形式發(fā)送,，由于單字符通信方式干擾較大，因此采用數據包格式傳送指令,，包頭用OXFF,，包尾用OXFF，無校驗位,。上位機利用無線網卡通過Socket發(fā)送數據包到路由器,，路由器通過解包機制把數據包解開，通過串口發(fā)送到單片機并通過控制模塊執(zhí)行相關操作,。其協議規(guī)定如表1所示,。
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3．2 上位機軟件
對于控制平臺，文獻給出了一種基于Windows CE．net技術的方法,，文中使用Visual Studio2010編寫C#上位機客戶端,。采用TCP／IP協議，利用Socket發(fā)送數據包到路由器,?？蛻舳税▋蓚€窗口：主窗口和配置窗口。主窗口包括視頻顯示區(qū)及控制按鈕區(qū),，主要用于顯示回傳視頻和實現機器人運動控制,。配置窗口主要完成WiFi無線網絡及機器人控制指令自定義鍵值的配置。配置窗口和主窗口分別如圖5和圖6所示,。
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根據表1的通信協議,，上位機通過Socket以Byte打包的方式向機器人發(fā)送控制命令，同時接收攝像頭回傳視頻流并在視頻顯示區(qū)實時顯示,。視頻部分也可將攝像頭拍攝的視頻分解成一張張獨立的jpg圖片發(fā)送到客戶端,，客戶端再將圖片組合成視頻。對于Socket數據發(fā)送,，首先創(chuàng)建Socket對象的實例,，創(chuàng)建Socket實例后上位機即可通過Connect方法連接到路由器，并通過Send方法路由器發(fā)送數據,。數據發(fā)送完成后用Close方法關閉Socket以釋放資源,。
除此之外，采用配置文件的方式來存取上一次配置的數據,，以免重復配置,，并通過定義8個鍵盤值，便于觀察事件的執(zhí)行,，以此可方便地通過鍵盤的觸發(fā)事件實現電機和舵機的全方位移動,，且增加了拍照和車燈控制命令，經測試上位機軟件運行良好,。
3．3 下位機軟件
驅動板微處理器采用STC公司的STC89C516芯片,。STC89C516單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速,、低功耗的單片機,，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機，這為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且成本低的方案,。下位機程序主要包括：外部中斷,、舵機PWM中斷、定時器,、串口中斷,、初始化等。下位機程序接收來自路由器轉發(fā)的上位機命令,，實現數據接收,、攝像頭云臺全方位控制、電機轉向,、車燈控制,、電池電量指示、紅外壁障等功能。
4 結束語
經過實際調試運行,，WiFi Robot的實際控制距離可以達到100 m,。WiFi Robot具有實時視頻傳輸、人工自主控制,、紅外壁障等功能,。實物如圖7和圖8所示。
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在目前所設計機器人的基礎上,，也可以對系統(tǒng)的功能進行拓展,，如加載多自由度機械臂、GPS定位,、超聲波測距,、外網控制等，則可實現全方位,、超遠距離控制,，并廣泛應用于險情探測、圖像采集,、目標定位,、無線通信等領域。