基于网络控制的移动监控机器人的设计与研究

•104•电子世界·技术交流基于网络的移动监控机器人的设计与研究桂林电子科技大学贺州学院苏南光桂林科技大学张华城贺州学院杨雄振赖丽萍[摘要]测绘中的移动机器人监控系统监控功能场所采用无线网络方式，移动设备的测绘不需要有线绑定移动机器人网络，使监控系统的操作更加灵活. 本文设计了移动机器人无线监控系统，并介绍了上位机控制软件，主控板控制，摄像机视频采集等方面的设计与实现. 实验表明，所设计的移动监控机器人系统可以应用于监控领域. [关键词]移动机器人； Arduino的;视频监控；基于网络控制的移动监控机器人无线传输设计与实现苏南光1,2，张华成1，杨雄珍2，赖丽萍2（1桂林电子科技大学，桂林2贺州大学，贺州asunanguang00@163.com ）摘要: 移动机器人系统实际上可以应用于某些地方的侦察和监视，以及无线网络的使用，使操作系统更加灵活，从而通过监视和调查来移动机器而没有电缆的束缚. 在本文中，我们介绍了具有无线功能的用于的移动系统的设计和实现. 它由多个传感器，控制板，摄像机视频捕获器和无线通信模块组成. 制造了机器人原型并进行了实验. 典型案例的实验结果证明了其灵活性和可靠性. 关键词: 移动机器人Arduino平台；视频监控；无线传输监视机器人具有移动的灵活性，并具有感知周围环境和视频监控的能力. 它们被广泛用于建筑物，仓库和房屋中. 当环境处于危险或恶劣的环境时，他们主要通过移动机器人返回的视频来代替操作员进入现场. 图像和环境参数可以对场景做出清晰的判断.

随着嵌入式技术的进步，移动监控机器人的研究和实现技术进入了一个新的发展阶段[1]. 在自动化和机械制造领域，集中和互连各种自动化控制仪器和其他设备已成为一种发展趋势[2]. 如果使用Internet技术连接处理设备，机器人和现场控制系统，则可以在Internet环境中实现自动化. 因此，机器人控制技术和网络技术的结合将具有非常重要的理论研究意义和广阔的应用前景[3-7]. 本文通过模块化和结构化的硬件设计思想，设计出可以根据实际需要随时安装不同功能的传感器，并实现具有无线网络通信功能的移动监控机器人. 为了监视移动机器人的速度信息，路面动态状态，转向器信息，电动机信息等的实时操作状态，必须收集并发送移动机器人的相关状态信息和行驶动态信息. 到上位机，上位机接收移动机器人前端信息，实时判断移动机器人的状态，主机判断后，向移动机器人发送指令，可以设置相关参数，例如作为速度，加速度和运动方向. 实现了现场机器人运动的远程遥控，设计了一种方便，人性化的移动监控机器人，使我们能够及时收集关键数据并对数据进行必要的处理. 可以看出，移动机器人的开发非常实用，具有重要的应用意义[8]. 1移动监控机器人系统总体设计该系统设计主要包括下位机移动机器人的硬件部分和上位机控制部分.

下部计算机的设计包括Arduino主控制板和网络. Arduino主控制板主要用于收集各种传感器的信息以及伺服和直流电动机的控制功能；网络摄像机主要用于视频信息收集. 上位计算机控制部接收下位计算机发送的数据，通过PC侧控制软件将控制信息发送到下位计算机，并且可以控制网络摄像机，获取网络摄像机视频信息，并对信息进行软件处理. 由相机收集. 图1总体系统架构图图2控制系统结构框图图1显示了整个系统架构. 系统设计步骤: （1）根据设计要求，确定控制计划. （2）使用Altium Designer设计合理的硬件原理图. （3）绘制程序流程图，使用C#语言进行编程，并使用Arduino进行仿真调试. （4）将每个组件焊接到PCB上，然后将程序刻录到微控制器中. （5）进行调试以实项目: 2015年广西科研开发项目“地方高校科普创新工作模式研究与平台建设（项目编号: 2015ED31077）”；贺州科学研究与技术发展计划项目“基于物联网技术模型研究的关键危险源监管（合科功1707041）”； 2017年学校级科研项目“具有可靠增强功能的能源监控系统和管理研究（2017ZZZK03）”.

万方数据•105•电子世界・技术交流2移动监控机器人系统硬件平台的搭建移动监控机器人主要由Arduino UNO R3主控板电路，Robot-Link V4.0 AR WIFI模块，L298N驱动模块组成. ，DC电动机，汽车底板，电源模块等[9]. 控制结构如图2所示. 2.1 Arduino主控制板电路Arduino UNO R3主控制板使用ATMEGA328P芯片作为控制单元. Arduino是基于开放源USB接口（包括12通道数字GPIO，4通道PWM输出，6-8通道10位ADC输入通道）的简单I / O接口板，并具有使用Java，C语言集成的IDE语言的硬件和软件. Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本. 2.2无线WiFi路由模块该模块使用的处理芯片为MT7620N. 该路由器是OpenWRT系统. 该系统是高度模块化和高度自动化的嵌入式Linux系统. 它具有强大的网络组件和可伸缩性，通常用于工业控制. 设备，电话，小型机器人，智能家居，路由器和VOIP设备. 该路由模块可以用作转发站，以实现USB的加载以及与微控制器的串行通信.

2.3视频采集系统视频监控系统分为视频采集系统，云台镜头控制系统，信号传输系统和视频处理系统. 视频监控技术是基于嵌入式技术实现的，具有体积小，稳定性高，现场任务混乱，实时性好，结构简单等优点. 工作过程是在下部计算机中安装的机器人上安装摄像机. 摄像机收集现场数据，并将其上传到上位机进行处理. 它可以完成对场景的实时监视并相应地处理其信息，尤其是在有异常情况时. 发生这种情况时，它可以快速实时地做出反应，以帮助操作员提供正确的决定. 2.4电机驱动模块使用L298N作为电机驱动芯片. L298N具有全桥驱动器芯片，具有高电压，大电流和高响应频率. 一台L298N可以分别控制四个直流电动机，并具有一个控制使能端子. 电机驱动芯片驱动能力强，操作方便，稳定性好，性能优良. L298N的使能端可以在外部与电平控制连接，也可以使用单片机通过软件进行控制，以满足各种复杂电路的需求. L298N是高压大电流全桥驱动器芯片，内部有两个H桥，可用于驱动DC电动机和步进电动机. 另外，L298N的驱动功率较大，可以根据输入电压输出不同的电压和功率，从而解决了负载容量不足的问题[10]. 2.5电源模块由2200mAh 7.4 8A保护板锂电池组成.

电压由7805稳压器芯片稳定，并由0.1uF和470μF电容器滤波. 3系统下位机和上位机软件设计上位机控制程序采用C#语言编写，可通过Robot-Link V4.0 AR WIFI模块实现对下位机的命令发送和接收. 同时，它还通过无线模块将万向节的图像信号传输到主机的图像显示窗口. 主机的PC客户端在控制端运行控制程序. 首先，必须建立服务器以等待响应端的连接请求. 连接成功后，需要完成图3所示的功能. PC远程控制终端软件的整体功能主要包括视频图像解码显示，数据处理与显示，控制信息数据传输等部分. 图3 PC控制终端的整体功能框图下层计算机的Arduino主控制板采用Arduino IDE进行开发. Arduino语言是基于接线语言开发的，接线语言是avr-gcc库的辅助软件包. 它不需要太多的微控制器和编程基础. 由于Arduino的优势，越来越多的硬件开发人员已经使用或开始使用Arduino来开发他们的项目和产品. 越来越多的软件开发人员使用Arduino进入硬件，物联网和其他开发领域. 下位计算机是机器人的执行机构. 它的主要工作是收集每个传感器的数据，根据相关协议打包数据，将其从串行端口发送到上位机的服务器，同时接收上位机的控制信息. 硬件直接控制在单片机上运行的每个外部设备和传感器. 主程序流程如图4所示.

在正常操作条件下，该程序会循环执行，接收命令，解析命令，执行命令并返回结果，根据控制命令设置PWM参数，控制直流电动机的速度，从而控制速度和机器人运动的方向. 图4下位机程序的执行流程图5移动监控机器人的物理对象图4系统测试基于机械设计，硬件选择，并且在我们的实验室中开发了移动机器人原型的照片. 移动监控机器人如图5所示. 该机器人的机制实现了由四个直流电动机控制的四个固定轮的使用. Arduino UNO R3微控制器生成PWM信号以控制速度和方向. 机器人由给定的命令驱动，并在计算机系统软件和关键算法上运行. 惯性传感器，无线摄像机和直流电动机安装在机器人中. 系统设计完成后，有必要重复测试每个部分. 来自万方数据•106•电子世界•在技术交流测试中，可能会发现存在问题，这些问题将为下一次设计改进打下基础. 系统测试步骤还用于验证设计是否符合Claim. 系统测试主要测试系统的硬件部分，软件部分和控制部分. 测试结果确保系统硬件符合操作环境；测试软件以查看其是否正常启动；测试控制端以查看其是否正常响应用户操作，是否发出正确的控制命令并解析视频数据. 最后，测试通信协议和系统的实时性，以查看数据是否实时准确地传输. 系统硬件测试上电后，检查系统电压和各模块电压是否正常；检查电压电路的系统电压是否短路，测试系统电压是否为5V电压等.

软件调试主要是将下位机的控制程序烧入微控制器，直接将微控制器的串口传输到PC，通过PC上的串行调试助手根据协议发送控制命令，并对PC进行调试. 系统控制部分. 控制器是否可以正常解析命令并返回请求的数据. 在PC上安装开发的主机软件，然后将网络连接到机器人的无线“热点”，以便主机控制端和机器人端形成无线局域网. 然后在控制界面中输入机器人的IP地址和端口号，在主机和机器人的控制终端成功理解后，监控界面可以显示机器人正在采集视频图像. 正常的实时视频图像如图6所示. 测试运动控制命令是否正常发送以及视频记录和图片保存是否正常. 图6实时视频图像5总结本文设计并实现了基于网络控制的移动监控机器人，并介绍了硬件和软件的实现过程. 具体工作内容包括: （1）分析了机器人技术研究的现状和发展趋势，结合嵌入式技术和移动互联网技术的快速发展，提出了一种移动监控机器人. 完成了机器人硬件电路的设计和调试. 建立了红外传感器加超声模块化移动监控机器人硬件开发平台. （3）对整个系统进行了软硬件测试，测试结果达到了设计目标. 在无线网络环境中实现机器人的移动. ⑸保留扩展功能. 在满足设计期望的前提下，机器人汽车主要考虑简化车身结构设计，使其越来越受欢迎.

由于设计要求并不复杂，因此没有在电路中添加冗余功能，并且保留了各种硬件接口和软件子例程接口，以方便将来的扩展和进一步的开发. 参考文献[1] Kovadic，Z.，Cukon，M.，Brkic，K.等人，“四鳍式跟踪勘探与检查机器人的设计与控制”，控制与自动化（MED），2013年第21届地中海会议，2013年，第7-12页. [2] Kasim M.Al-Aubidy，Mohammed M.Ali，Ahmad M.Derbas等人，“基于GPRS的移动机器人遥感和遥操作”，第十届国际多系统，信号和设备会议，突尼斯，哈马马特，2013年，第1-7页. [3] Marin，L.，Valles，M.，Soriano，A. 等人，“阿克曼转向有限资源移动机器人中基于事件的本地化”，机电一体化，IEEE / ASME交易，第19卷，2014年4月4日， pp.1171-1182. [4]韩晓，Payandeh，S. ，“无线移动平台网络中基于运动学的本地化的实验设计和分析”，系统会议（SysCon），2012 IEEE International，2012，pp.1- 6. [5] Dey，GK； Hossen，R. ； Noor，MS等，“距离控制的救援与安全移动机器人”，信息学，电子与视觉（ICIEV），2013年国际会议，2013年，第1-6页. [6]光明Song，Kaijian Yi n，Yaoxin Zhou等，“一种具有跳跃功能的家庭安全监视机器人”，消费者电子，IEEE Transactions，第55卷，第4期，2009年，第2034-2039页. [7] Sourangsu Banerji，“使用带有微控制器的GSM网络开发无人驾驶车辆的设计和实现”，国际科学，工程技术研究（IJSETR），第2卷，第2期，2013年，第367-374页. [8] Schmid ，K.，Hirschmuller，H.，“在手持设备上基于立体视觉和IMU的实时自我运动和深度图像计算”，机器人与自动化（ICRA），2013年IEEE国际会议，2013，pp.4671- 4678. [9] Schwartz移动机器人网络，FP，Benac，C.，Rocha，VRS等，“由ATMEGA328P-PU芯片和Android App控制的微电流刺激设备”，2016年全球医学工程物理交易所/泛美卫生保健交易所（GMEPE） / PAHCE），2016年. [10] Derbas，AM，Al-Aubidy，KM，Ali.et al等人，“用于实时感测和监控的多机器人系统”，第15届机电一体化研究与教育国际研讨会，埃及El Gouna，2014年，第1-6页. 作者简介: 苏南光（1989-），广西岑溪人，大学本科，现就读于桂林电子科技大学. 张华成（1970—），湖南宁源人，高级实验师，硕士生导师，主要研究方向: 系统和计算机通信网络联网项目. 杨雄珍（1966年至今），女，广东信义人，贺州大学机电工程学院院长，副教授，主要研究方向: 物理学. 赖丽萍（1976—），江西定南人，助理研究员，主要研究方向: 计算机应用技术. 万方数据

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