基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的可視化遙控搬運機器人設(shè)計

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機器人已經(jīng)漸漸步入人們的實際生活之中，本設(shè)計所研究的遙控搬運機器人是眾多機器人中的一種。搬運機器人主要代替人完成物體的夾取、運輸、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)搬運機器人多采用無線電或者紅外的方式來進(jìn)行遙控，這種機器人操控范圍較小，并且需要特定的控制器。本設(shè)計主要研究基于WFi網(wǎng)絡(luò)的無線遙控搬運機器人，利用WiFi網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)實時視頻圖像采集，以及機器人上的傳感器數(shù)據(jù)采集。采用WiFi網(wǎng)絡(luò)通信使得控制端多樣化，可用手機、電腦等具備WiFi功能的設(shè)備進(jìn)行控制。此外，還可將機器人接入Internet來實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的控制。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計服務(wù)器端采用移植了Linux操作系統(tǒng)的S3C6410，通過完成底層驅(qū)動的移植和編寫，實現(xiàn)對硬件的控制，其次移植了MJPGstreamer服務(wù)器和BOA服務(wù)器等實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)、控制信息的傳輸?？蛻舳朔矫娣謩e編寫了WEB版和Android版應(yīng)用程序。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

(1)MCU

本設(shè)計的主控器采用友善之臂公司的一款核心板，其主芯片S3C6410是三星公司基于ARM1176JZF—S核設(shè)計的嵌入式處理器。該核心板配置了256 MB DDR RAM，并且主頻為533 MHz，最高主頻可以達(dá)到667 MHz。通過將Linux操作系統(tǒng)移植到該核心板上來完成對硬件的管理與客戶端提供數(shù)據(jù)交換，響應(yīng)客戶端的命令控制。

(2)伺服電機

采用的伺服電機為微型伺服馬達(dá)(又稱作舵機)，主要應(yīng)用于模型的動作控制，通過脈寬調(diào)制可以對其進(jìn)行比較精確的控制。本設(shè)計采用TOROBOT公司生產(chǎn)的TR213舵機，其動態(tài)扭矩可以達(dá)到13 kg·cm，轉(zhuǎn)角范圍為180°，控制精度達(dá)到0.5°，工作電壓為4.8～7.2 V，其性能能夠滿足本設(shè)計的基本要求，所以選用兩個TR213配合夾持器完成物體的夾持工作。

(3)直流電機

直流電機用于控制機器人移動，本設(shè)計采用帶齒輪箱的直流電機，其減速比為1：120，工作電壓為3～12 V左右，7.2 V電壓下轉(zhuǎn)速達(dá)120 r/min，4個直流電機配合車體，最大負(fù)載可達(dá)到2 kg。

(4)WiFi網(wǎng)卡

無線網(wǎng)卡采用USB接口的必聯(lián)(B—LINK)BL—LW05-AR5無線網(wǎng)卡，其主芯片為RTL8188，并且外置了5 DBI的高增益天線，傳輸速度最高可達(dá)150 Mbps，實際傳輸距離較遠(yuǎn)，并且支持AP模式。本設(shè)計通過移植該網(wǎng)卡的驅(qū)動、Hostapd以及DHCP讓機器人作為AP熱點供無線設(shè)備進(jìn)行連接控制。

(5)攝像頭

攝像頭采用中星微ZC301P，USB接口，像素高達(dá)130萬，擁有6 mm的五玻鏡頭，62°視角，并且具有自動亮度、自動白平衡、伽馬校正功能。本設(shè)計中使用這款攝像頭來完成機器人前方視頻數(shù)據(jù)采集。

(6)壓力傳感器

為了采集機器人夾持器的壓力數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用了FSR402薄膜壓力傳感器。該傳感器受力后會導(dǎo)致電阻變小，根據(jù)電阻值的變化可以得到壓力的變化，其允許的壓力范圍為100 g～10 kg，并且傳感器受力區(qū)域的直徑達(dá)1.27 cm。

(7)直流電源

為了完成物體的夾持、搬運、擺放工作，機器人帶有4路直流電機、2路伺服電機，耗電量較大，且負(fù)載時電流較大。為了使其能穩(wěn)定正常工作，本設(shè)計選用了一款15C的航模電池，其容量為1300 mAh，標(biāo)稱電壓為7.4 V，充滿電壓為8.4 V，最大電流可達(dá)16 A，配以LM338穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定地提供5 A/5 V直流電源。

3 服務(wù)器搭建

3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端功能框圖如圖2所示。

3.2 Linux系統(tǒng)移植

核心板采用友善之臂公司提供的TINY6410，此核心板已提供Bootloader、Linux操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)。使用時只需要根據(jù)實際的需要裁減Linux系統(tǒng)即可，本設(shè)計采用的Lin ux內(nèi)核版本為Linux2.6.38，編譯平臺為Ubuntu12.04，交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。

3.3 驅(qū)動編寫與移植

(1)直流電機驅(qū)動

由于S3C6410只帶有兩路PWM輸出，而夾持器部分需要兩路PWM脈寬調(diào)制控制伺服舵機，因此直流電機部分采用定時器2來模擬PWM調(diào)制。設(shè)置定時器2每100ms進(jìn)一次中斷，在定時器中進(jìn)行1～100計數(shù)，因此PWM周期為10 s，并有100個脈寬比可調(diào)，滿足直流電機調(diào)速控制。

(2)伺服電機驅(qū)動

伺服電機需要采用脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)20 ms周期內(nèi)的占空比可以指定伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度，其對應(yīng)關(guān)系表略——編者注。

由于舵機的控制要求較高，本設(shè)計采用S3C6410自帶的PWM進(jìn)行控制。設(shè)置PWM0和PWM1的周期為20 ms，通過調(diào)節(jié)PWM0和PWM1的占空比來控制伺服電機的工作。

(3)攝像頭驅(qū)動

ZC301為免驅(qū)的UVC視頻設(shè)備，為了實現(xiàn)視頻的采集，需要在編譯內(nèi)核時選擇V4L2支持。

(4)USB WiFi驅(qū)動

本設(shè)計中的USB無線網(wǎng)卡采用RTL8188芯片，為使該設(shè)備能夠正常工作需要進(jìn)行驅(qū)動程序移植。

(5)ADO驅(qū)動

電源電量以及FSR壓力傳感器數(shù)據(jù)測量需要ADC驅(qū)動的支持，由于系統(tǒng)中已含有該驅(qū)動，故只需要在編譯內(nèi)核時選擇上即可。

3.4 AP熱點搭建

Hostapd是Linux系統(tǒng)中無線訪問接入點的守護(hù)進(jìn)程。它可以將無線網(wǎng)卡設(shè)置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設(shè)備接入的身份驗證。在實際的使用期間，需要對其配置文件進(jìn)行相應(yīng)的修改。本設(shè)計中采用Hostapd結(jié)合RTL8188網(wǎng)卡完成AP熱點的搭建。另外，通過配置DHCP的配置文件并啟用該服務(wù)為接入機器人的WiFi設(shè)備分配IP地址，有效地避免了多個設(shè)備接入時的地址沖突問題。

3.5 視頻服務(wù)器搭建

本設(shè)計選用input_uvc作為輸入組件來使用V4L2從攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)JPEG庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后，通過選用output_http作為輸出組件來輸出圖像數(shù)據(jù)。output http組件實現(xiàn)了一個符合HTTP1.0標(biāo)準(zhǔn)的WEB服務(wù)器，用戶可以使用HTTP協(xié)議獲取視頻信息。