基于WiFi的远程视频传输智能机器人设计

摘要 WiFi以其强大的覆盖范围和更高的传输速率得到广泛应用。文中研究了无线视频传输技术在机器人中的应用。文中设计的WiFi机器人是以WiFi无线网络为数据传输载体，实现实时控制、音视频传输和图像采集等功能的智能系统。经测试，该机器人可用于在反恐侦查、战场C4ISR系统、消防救灾、生命探测等民用及军事领域。
关键词 WiFi；机器人；远程视频传输；数据采集

    WiFi是一种无线局域网运用技术，其出现以来，凭借组网方便、易于扩展等特点，有着广泛的应用前景。而无线接入和高速传输是WiFi的主要技术优点，WiFi技术与机器人技术的结合便产生了WiFiRobot。WiFi Robot是集远程无线通讯、音视频传输、数据采集、多向机械云台、灯光控制、环境检测、超声波测距、红外壁障、超声波领航、动力四驱、摄像头云台等功能为一体的多功能智能遥感机器人，以WiFi网络作为数据传输平台，以高速MCU为数据处理中心，可通过电脑、智能手机、平板电脑等设备进行远程控制，并可拓展更多功能。

1 基本原理
    设计的机器人所要实现的功能为：操作员在操作终端通过WiFi无线网络连接到小车内置的WiFi模块上，并向其发出相关操作指令，WiFi模块接收指令并传递给内置的单片机，单片机通过控制电路让机器人执行相应的指令；同时，安装在机器人上的各种传感器和摄像头可以通过WiFi网络将数据反向传递给操作终端，从而实现上下行控制及双向通信，以便操作员实时了解机器人周围的环境，并根据环境情况发出指令控制机器人执行特定的任务，实现交互式操作，图1为系统整体实现框图。

2 硬件设计
    硬件系统由车体部分、路由器、摄像头及云台、驱动板、红外壁障、车灯部分等构成。
    (1)车体部分。车体部分主要由4个12 V／120转直流电机和电池组构成，电机两两并联，相当于驱动两个电机。为方便电池充放电，设计了充放电电路，只需拨动开关即可实现充放电操作。电池组电源12 V，可多个并联使用，为机器人提高持久动力。
    (2)摄像头及云台。摄像头选择高质量高清摄像头进行监控，摄像头满足0°～180°水平，0°～180°上下旋转，可以远程打开或关闭。摄像头型号为索尼PS2，通讯接口为USB协议。云台由2个MG995数字舵机及其他辅助材料构成。
    (3)路由器(WiFi模块)。WiFi模块采用TP—LINK全新推出的150 Mbit·s-1迷你型3G无线路由器。该路由器具有尺寸小，供电电压低的特点。其供电电压只有5 V，且支持OpenWrt。OpenWrt是一个基于Linux的开源路由固件，提供了一个完全可写的文件系统及软件包管理，对支持OpenWrt的路由器刷机后，其相当于一个Linux小系统。路由器选择OpenWrt作为操作系统，将USB摄像头采集的现场图片发给远端的PC控制终端，并将上位机发出的命令通过串口转发给单片机控制系统。
    (4)驱动模块。控制板主要包括电源模块、电机驱动、舵机驱动、下载串口、单片机电路、红外壁障、车灯控制以及数据通信接口等。在此主要介绍电机驱动和舵机驱动两个驱动模块。电机驱动采用英飞凌公司的BTS7960直流电刷电机驱动芯片，其具有大电流MOSFET半桥结构。芯片具有较高的集成度和足够的输出能力，并在能耗方面具有优势。在集成化和小型化的电机控制系统中，适合作为理想的电机驱动芯片。
图2为BTS7960与单片机组成的H电机驱动单元。由于所采用驱动芯片是半桥，因此需要采用两片以构成全桥实现电机的正反转。

    单片机产生2路PWM输出作为两片BTS7960的控制信号，同时要求PWM0、PWM1不能同时为高电平。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运算，这样可大幅减轻系统运算负担和PWM软件编程成本。
    线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点，但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”，导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。因此为保证较高的电源利用率，舵机驱动采用LM2596开关型稳压芯片实现，它可以提供3 A以上电流，驱动强劲。图3给出了舵机驱动方案。

    由于舵机型号为MG995，其工作电压为5．0 V～7．0 V。因此舵机驱动芯片选择了可调LM2596-ADJ芯片，其输出电压Vout=Vref(1．0+R2／R1)，其中，Vref=1．23 V为芯片内部参考电压。

3 软件设计
    软件部分是机器人智能化的体现，它控制WiFiRobot所有的运行状态。整个软件系统体系结构如图4所示。

    操作系统采用OpenWrt，此部分在路由器刷机部分完成，主要完成视频采集、数据传输、转发等功能。上位机软件控制灯光控制、拍照、实时控制机器人运动等行为。下位机软件通过接收来自上位机的命令，从而执行相应操作。而连接上位机和下位机之间的纽带就是通信协议，软件部分包括通信协议，客户端控制软件和下位机软件。在此主要介绍通信协议和上位机的开发。
3．1 通信协议
    上位机采用数据包格式传送指令，也可以采用单字符的形式发送，由于单字符通信方式干扰较大，因此采用数据包格式传送指令，包头用OXFF，包尾用OXFF，无校验位。上位机利用无线网卡通过Socket发送数据包到路由器，路由器通过解包机制把数据包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作。其协议规定如表1所示。

3．2 上位机软件
    对于控制平台，文献给出了一种基于Windows CE．net技术的方法，文中使用Visual Studio2010编写C#上位机客户端。采用TCP／IP协议，利用Socket发送数据包到路由器。客户端包括两个窗口：主窗口和配置窗口。主窗口包括视频显示区及控制按钮区，主要用于显示回传视频和实现机器人运动控制。配置窗口主要完成WiFi无线网络及机器人控制指令自定义键值的配置。配置窗口和主窗口分别如图5和图6所示。

    根据表1的通信协议，上位机通过Socket以Byte打包的方式向机器人发送控制命令，同时接收摄像头回传视频流并在视频显示区实时显示。视频部分也可将摄像头拍摄的视频分解成一张张独立的jpg图片发送到客户端，客户端再将图片组合成视频。对于Socket数据发送，首先创建Socket对象的实例，创建Socket实例后上位机即可通过Connect方法连接到路由器，并通过Send方法路由器发送数据。数据发送完成后用Close方法关闭Socket以释放资源。
    除此之外，采用配置文件的方式来存取上一次配置的数据，以免重复配置，并通过定义8个键盘值，便于观察事件的执行，以此可方便地通过键盘的触发事件实现电机和舵机的全方位移动，且增加了拍照和车灯控制命令，经测试上位机软件运行良好。
3．3 下位机软件
    驱动板微处理器采用STC公司的STC89C516芯片。STC89C516单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051系列单片机，这为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且成本低的方案。下位机程序主要包括：外部中断、舵机PWM中断、定时器、串口中断、初始化等。下位机程序接收来自路由器转发的上位机命令，实现数据接收、摄像头云台全方位控制、电机转向、车灯控制、电池电量指示、红外壁障等功能。

4 结束语
    经过实际调试运行，WiFi Robot的实际控制距离可以达到100 m。WiFi Robot具有实时视频传输、人工自主控制、红外壁障等功能。实物如图7和图8所示。

    在目前所设计机器人的基础上，也可以对系统的功能进行拓展，如加载多自由度机械臂、GPS定位、超声波测距、外网控制等，则可实现全方位、超远距离控制，并广泛应用于险情探测、图像采集、目标定位、无线通信等领域。