物聯(lián)網(wǎng)智能機器人方案開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人是機器人家族中的一種，具有智能跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)測試、遠程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能，可以通過電腦上位機或手機客戶端遠程控制電視、空調(diào)等。也可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的智能自動跟蹤、自動循跡和自動避障。在整個運作過程中可以實時拍攝周圍視頻資料，創(chuàng)新云臺設(shè)計，實現(xiàn)全方位無死角拍攝。當(dāng)前我國大力提倡節(jié)能減排，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，為了響應(yīng)國家號召，在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)機器人時創(chuàng)新加入太陽能充電裝置，雖然充電效率不高，但太陽能是最環(huán)保、有很大前景的能源。

一、智能機器人總體設(shè)計方案

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人的總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1中有兩種控制模式，一種是組成機器人控制局域網(wǎng)，將上位機PC端，手機客戶端APP和智能機器人連接起來，實現(xiàn)上位機PC端或手機APP客戶端控制機器人和顯示視頻數(shù)據(jù)的目的；另一種遠程控制方案是將機器人通過網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相連，再將上位機PC端或手機APP客戶端通過數(shù)據(jù)線連入互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)遠程終端通過互聯(lián)網(wǎng)和機器人相連，進而實現(xiàn)控制機器人和視頻傳輸。這兩種設(shè)計方案的核心技術(shù)相同，都是通過網(wǎng)絡(luò)地址和端口號的設(shè)定，再通過指令傳輸和視頻數(shù)據(jù)傳輸，進而達到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作，本設(shè)計用局域網(wǎng)機器人控制的方式進行分析說明。

從數(shù)據(jù)傳輸方面來說，無線路由器是手機APP客戶端、上位機PC端和下位機的數(shù)據(jù)核心，終端可以通過一個套接字編程，建立網(wǎng)絡(luò)接口，進而與無線路由器進行連接，智能機器人便可以通過一個網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的WiFi模塊，再將機器人的串口數(shù)據(jù)通過這個模塊轉(zhuǎn)變成WiFi信號，就可以實現(xiàn)和無線路由器進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，手機客戶端APP、上位機PC端和下位機都有相應(yīng)的局域IP地址。通過設(shè)置正確的IP地址，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

從控制的方面來說，手機客戶端APP和上位機PC端是智能機器人的控制中心n，這兩者可以通過按鍵，發(fā)出相應(yīng)的指令給智能機器人，智能機器人解說到對應(yīng)的指令后給上位機，再由上位機將接收到的指令進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成對應(yīng)的動作。

1.1上位機PC端軟件設(shè)計

上位機PC端嘲的功能是控制機器人的運動，控制機械手的動作，顯示機器人當(dāng)前的速度，采集機器人所在環(huán)境的溫濕度，控制云臺方向，顯示機器人周圍的視頻數(shù)據(jù)。同時，可以在上位機PC端上切換智能機器人的工作模式，其中機器人的工作模式有：循跡模式、紅外避障模式、雷達避障模式、智能模式等，可以根據(jù)環(huán)境的需要切換不同的模式，也可以通過上位機PC端發(fā)送對應(yīng)的指令，控制家用電器如電視、空調(diào)等。上位機Pc端軟件設(shè)計如圖2所示。

圖2中的功能實現(xiàn)主要由兩個流程完成：第一個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳輸過來的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，而這部分的技術(shù)主要是DirectShow；第二個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳輸過來的機器人當(dāng)前速度和溫濕度等信息，選擇當(dāng)前機器人的工作模式，以及完成在上位機PC端和機器人之間的指令傳輸，實現(xiàn)機器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開燈和鳴笛等功能。在上位機PC端上有控制機械手的進度條，可以遠程控制機械手的操作完成相應(yīng)的動作，也可以設(shè)置機械手和云臺舵機的初始狀態(tài)，避免開機時燒壞舵機。在雷達模式下，上位機PC端可以顯示當(dāng)前有無障礙物，并會做出轉(zhuǎn)向的動作避開障礙物。在整個運動過程中上位機PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面，可以用鼠標(biāo)在上位機視頻顯示區(qū)控制云臺，實現(xiàn)機器人無死角拍攝。且兩個流程都設(shè)置有各自互不干擾的套接字，第一個流程與機器人的攝像頭模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個流程與機器人網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊完成數(shù)據(jù)交互。

1.2手機客戶端APP軟件設(shè)計

本文中的手機APP客戶端采用Android系統(tǒng)，在Eclipse平臺上用Java語言編寫開發(fā)的。可以通過APP手機客戶端完成的設(shè)置和操作有：設(shè)置機器人的運動方向指令；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址、視頻存儲和拍照存儲地址；設(shè)置是否用觸摸屏控制云臺；顯示視頻畫面；控制攝像頭方位和機械臂動作角度；重力控制機器人。手機APP客戶端軟件控制設(shè)計流程如圖3所示。

1.3下位機軟件設(shè)計

下位機設(shè)計是機器人核心處理器程序的設(shè)計。其設(shè)計內(nèi)容主要包含視頻傳輸控制、云臺操作控制、溫濕度采集、紅外對管模塊和紅外控制家電的設(shè)置，以及采集到的視頻數(shù)據(jù)和控制指令互傳等。在設(shè)計過程中每部分都是分模塊編寫的，都有相應(yīng)的程序模塊，再由主函數(shù)將所有模塊綜合起來，當(dāng)下位機程序接收到上位機PC端或手機客戶端APP的相關(guān)指令后，就調(diào)用相對應(yīng)的程序模塊，執(zhí)行設(shè)定好的動作，并將完成的結(jié)果發(fā)送給終端，其設(shè)計流程如圖4所示。

下位機能夠完成上位機PC端或手機客戶端APP指令，并做出相對應(yīng)的動作的核心是機器人中有網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊。機器人將代碼指令通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，再以WiFi的形式傳出去，上位機PC端或手機客戶端APP便可以接收到下位機發(fā)出的指令，通過解析并顯示出來，為機器人的下一步動作做好準(zhǔn)備。使用模塊時必須設(shè)置正確的IP地址以及端口號，只有對應(yīng)的設(shè)置正確了，上位機PC端、手機客戶端和下位機才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

二、智能機器人設(shè)計方案特點及擴展說明

2.1特點介紹

本設(shè)計是以PC軟件、安卓軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及單片機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)今提倡的利用環(huán)保型能源，創(chuàng)新的構(gòu)想設(shè)計出來的。從機器人處理器的選型，各個模塊的選取，通信協(xié)議方案的制定，以及上位機PC端、手機客戶端APP的設(shè)計都與現(xiàn)有的“機器人”有較大的區(qū)別。本設(shè)計利用當(dāng)前最普通的處理器，完成不同尋常的動作，其特點總結(jié)如下：攝像頭全方位拍攝；上位機PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面，并可以實現(xiàn)控制；上位機PC端可以控制云臺，檢查機器人狀態(tài)；上位機PC端、APP手機客戶端和機器人上位機可以指示小車的運動狀態(tài)刪；可以實現(xiàn)遠程操作機械手；可以實現(xiàn)遙控家用電器如電視、空調(diào)等；可以用太陽能給蓄電池充電，并有指示燈顯示蓄電池電量；可以接收上位機的控制指令，實現(xiàn)控制，上位機亦可接收反饋指令和視頻的數(shù)據(jù)流。

其中本設(shè)計中的通信方式利用的是TCP／IP協(xié)議，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對機器人的控制。只要設(shè)置好IP地址和端口號后就可實現(xiàn)連接，可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)機器人的控制，也可以實現(xiàn)超遠程對機器人的控制。另外上位機PC端軟件和手機客戶端APP軟件，控制模式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，符合當(dāng)前機器人的發(fā)展趨勢，為當(dāng)前機器人的發(fā)展提供可行方案。

2.2擴展說明

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人不僅可以完成上文介紹的功能，還可以擴展以下功能：帶有指示燈顯示運動方向并能夠?qū)崿F(xiàn)通過重力感應(yīng)對機器人的控制；帶有GPS全球定位功能在危機時刻或者必要時可以發(fā)送信息；太陽能電池板減輕重量，實現(xiàn)對機器人供電補給；語音功能，可以實現(xiàn)語音播放；可以利用機器人無線設(shè)備上網(wǎng)，打電話等。

三、智能機器人方案難點及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計方案難點在于：

(1)上位機PC端在操作控制機器人時，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求很高，并要用相應(yīng)的表盤顯示出來，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高，網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)不問斷傳輸更是困難；(2)手機客戶端APP通過觸屏控制云臺，并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難，而通過觸摸屏幕不同方位，控制云臺方向更是困難；(3)視頻處理是利用M—JPEG格式圖片，在規(guī)定時間內(nèi)傳輸一定張數(shù)，顯示出視頻畫面。如果對DierctShow技術(shù)內(nèi)部細節(jié)掌握不夠，處理視頻時就會很困難。關(guān)鍵技術(shù)有：下位機程序模塊化編寫；上位機PC端軟件編寫；手機客戶端APP的編寫；TCP／IP通信協(xié)議的設(shè)定；機器人作為無線網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)；機器人智能模式的完成。

四、智能機器人系統(tǒng)整體調(diào)試

機器人調(diào)試主要包括上位機PC端的調(diào)試、手機客戶端APP調(diào)試和機器人整體調(diào)試。其中機器人整體調(diào)試包括機械手調(diào)試，太陽能板調(diào)試，智能傳感器模塊調(diào)試智能控制電視、空調(diào)調(diào)試、視頻顯示調(diào)試等。

4.1上位機PC端調(diào)試

上位機PC端界面可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接模式，顯示視頻、溫濕度和速度等，并實現(xiàn)對機器人運動控制、云臺控制、機械手控制以及對應(yīng)的功能調(diào)試。

（1）網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)連接IP地址為192.168.1.1，端口號為2001。其中此IP地址和端口號分別為機器人的網(wǎng)絡(luò)地址和WiFi模塊默認的端口號。上位機設(shè)置成以上地址和端口號后就可以實現(xiàn)連接了。這里著重調(diào)試通信協(xié)議，通信指令按照之前設(shè)定好的代碼，當(dāng)發(fā)送相應(yīng)的代碼，機器人就可以做出相應(yīng)的動作。

(2)機器人的運動。機器人上位機PC端連接好網(wǎng)絡(luò)后，用鍵盤就可以控制機器人的運動。分別點擊W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的運動，當(dāng)拖動鼠標(biāo)時就可以控制云臺，進而控制攝像頭方位。

為了能更清晰地指示當(dāng)前機器人的運動狀態(tài)。在機器人的上端設(shè)置有指示燈，當(dāng)機器人向前運動時，向前的指示燈亮；當(dāng)向后時，向后的指示燈亮；向左、向右情況相同。并且機器人運動的方位不同，指示燈顯示的顏色不同。智能機器人在上位機PC端可以設(shè)置不同的控制模式，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代碼分別為：FF130100FF，F(xiàn)F13020OFF，F(xiàn)F130300FF，F(xiàn)F13040OFF，F(xiàn)F13000OFF，F(xiàn)F500OOXFF。

(3)遙控電視。智能機器人可以通過紅外控制家中電器電視和空調(diào)等。首先通過上位機PC端發(fā)送FF50OOOIFF，讓智能機器人學(xué)習(xí)一個“頻道加”按鈕，之后再通過上位機PC端發(fā)送FF5IO001FF就可以使用智能機器人來控制家中電視“頻道加”。

4.2手機客戶端APP調(diào)試

(1)網(wǎng)絡(luò)連接。在APP端上可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.1，再設(shè)置端口號為2001。確認連接后，即可以顯示機器人拍攝的畫面。(2)機器人運動。在APP上可以通過遙感、按鈕控制機器人，也可以通過手機的重力感應(yīng)控制機器人。同時亦可通過控制機械臂進度條來控制機械手，實現(xiàn)機械手的操作自如。(3)視頻顯示。在整個控制過程中，可以實時顯示拍攝的視頻畫面。在進行超遠程控制時，畫面仍然可以傳輸回來，且能清晰顯示。另外在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，設(shè)置波特率時不能調(diào)的特別大，不然顯示的畫面不清晰。

總結(jié)

在經(jīng)過多次調(diào)試和反復(fù)修改程序，物聯(lián)網(wǎng)智能機器人基本完成，實現(xiàn)了預(yù)期的功能。視頻傳輸和指令傳輸正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，機器人各個控制功能都可以完成，電量顯示的靈敏性，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，太陽能充電的能量利用率都達到要求，且無論是在局域網(wǎng)還是超遠程互聯(lián)網(wǎng)中都可以對機器人操控，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性可以和近距離控制相比。

本設(shè)計將PC軟件技術(shù)、安卓手機APP、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)有機地結(jié)合起來，順應(yīng)了當(dāng)今電子行業(yè)的發(fā)展趨勢，擴展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有很大的市場價值，另外，機器人還可以擴展GPS全球定位、無線上網(wǎng)、語音對話等。

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