CN101293349A - 一种基于Wi-Fi的机器人 - Google Patents

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陈虹
沈仰云
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Abstract

一种基于Wi－Fi的机器人，该机器人包括：机器人本体，它为一种主要由车厢(14)和履带行走机构(13)组成的履带式机动车辆，其中所述车厢(14)上设有一机械手(6)，该机械手由一转盘(5)连接固定在车厢(14)顶面前部的中间；机器人控制系统，该系统以ARM9系列嵌入式微处理器为核心，外围分别配置电子指南针、GPS模块、CCD摄像机、传感器组、Wi－Fi模块、机器人本体控制器和机械手控制器构成；所述的Wi－Fi模块一面接收外部控制指令，一面将所述传感器组中由CCD摄像机摄取的视频图像加密并向外发送；所述的微处理器可自主控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障、拯救和报警任务，也可远程控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障、拯救和报警任务。

Description

一种基于Wi-Fi的机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种网络视频监控机器人，它适用于安保、排障和危险地带探测等领域。
背景技术
移动机器人的概念相当广泛，从移动形式分为：轮式、履带式、行走式、水下推进式等等，特别是一些危险作业机器人，是脱离人的直接控制，依靠远程遥控，自主或半自主的方式完成指定的工作，因此比一般工业机器人更加复杂，智能化程度更高，所涉及的技术更加广泛，而且难度也更大，其核心技术包括移动行走技术、遥控和遥操作技术，自主或半自主技术、多传感器信息融合技术、导航和定位技术、仿生结构化技术等。
随着移动机器人的发展，所需完成任务的复杂化，给机器人安装上“眼睛”成为了迫切的需求。随着CMOS、CCD摄像机的不断向小型化发展，价格不断的下降，人们开始尝试将摄像头装在机器人上，增加了视觉，更方便于操控。
早期在机器人装载整套录像装置的方式，无法实时对机器人监视。紧接着出现采用电缆的形式的摄像机，虽然能实现实时监视，但是行动的范围受到了限制，同时过长的电缆也不大可靠。
后期出现的模拟无线摄像头能够无线的传输视频，然而没有加密的信号，及容易窃取，安全性没有保障，更无法应用在安防领域。授权公告号为CN1331641C的发明专利披露了一种“保安巡逻机器狗”，该机器狗虽然能够进行自主巡逻，但是仍存在以下不足：1、视频采用无线模拟信号传输，不易加密处理，容易被他人窃取，无法起到应有的保安作用；2、传输指令的射频信号，必须使用专用的接收设备，不便于接入互联网；3、无排除障碍机械手或类似装置，无法执行如灭火、排爆、恶劣环境下的生命拯救、反恐作战等任务；4、不便于接入卫星导航系统，无法在野外等恶劣条件下工作。
发明内容
鉴于现有技术存在上述不足，本发明的目的是提供一种基于Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线相容性认证)技术的机器人，该机器人不仅具有信息传输保密性好、复杂环境适应强的优点，而且可执行恶劣环境下的各种任务。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于该机器人包括：
——机器人本体，它为一种主要由车厢和履带行走机构组成的履带式机动车辆，其中所述车厢上设有一机械手，该机械手由转盘连接固定在车厢顶面前部的中间；
——机器人控制系统，该系统以ARM9系列嵌入式微处理器为核心，外围分别配置电子指南针、GPS模块、CCD摄像机、由反射式红外传感器、热释电红外传感器、温度传感器和湿度传感器组成的传感器组、Wi-Fi模块、机器人本体控制器和机械手控制器构成；其中，所述的GPS模块、机器人本体控制器和机械手控制器分别接在所述微处理器的串行口上，所述的CCD摄像机、传感器组和Wi-Fi模块分别设在微处理器的I/O口上，所述的电子指南针以I2C总线方式与微处理器连接；
所述的Wi-Fi模块一方面接收外部控制指令，另一方面将由CCD摄像机摄取的视频图像加密并向外发送；
所述的微处理器根据传感器组所探测到的信息以及GPS模块导航信息和电子指南针所确定的机器人本体的朝向，自主控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障和拯救任务；或者根据Wi-Fi模块所接收到的外部指令，远程控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障和拯救任务。
本发明上述方案中所述的ARM9系列微处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，具体可选用ARM9TDMI和ARM9E-S等系列，也可选用韩国三星公司产的S3C2440A芯片。
本发明所述的机器人控制系统中的Wi-Fi模块所接收的外部指令的来源以及视频图像发送的目标均为公知的远程监控装置(如远程计算机)，其联络方案可以是已知的成熟技术，如，由无线路由、互联网和计算机连接组成，再如，由移动基站、GPRS网络、APN专线和计算机连接组成。
为满足野外长时间工作的要求，本发明所述的机器人还包括太阳能供电装置，该装置由覆盖在机器人本体的车厢上表面的太阳能板和设在车厢内部的充电电路组成。
本发明所述的机器人还包括设在车厢顶部的警灯，该警灯电源开关的控制端与所述ARM9系列嵌入式微处理器的I/O口连接。当所述的反射式红外传感器与热释电红外传感器联合探测到前进方向上有移动的生命体时，警灯便发出警示信号，以便保证道路的畅通。
本发明所述的机器人还包括设在车厢顶面的前拐角处的两照明灯，该照明灯电源开关的控制端与所述ARM9系列嵌入式微处理器的I/O口连接。当环境光线较暗时，两照明灯自动点亮，以便于CCD摄像机摄取到清晰的视频图像。
本发明所述的CCD摄像机由全方位云台连接固定在车厢的顶面，位于所述机械手的后方，且其镜头高于固定机械手的转盘，以监视机械手的作业过程，并便于根据情况远程实时修正机械手的作业动作。
本发明所述的机器人较现有技术具有以下优点和显著效果：
1、将Wi-Fi通讯技术融合其中，利用无线网络极大地提高了图像传输速度，较好地满足了视频图像的传输要求；可对通过互联网进行传输的信息进行加密，有效地提高了通讯安全等级；兼容性好，无需专用设备即可接入互联网。
2、设有机械手，不仅可主动排除前进道路上的障碍物，有效地扩大了巡视的范围，而且可直接拯救由热释电红外传感器探测到生命体。尤其是可通过CCD摄像机传回的视频图像对机械手的作业动作进行实时修正，显著提高了排障和拯救工作的效率和成功率。
附图说明
图1为本发明所述机器人的控制系统的一种具体实施例的硬件结构框图；
图2为本发明所述控制系统的一种具体实施例的控制原理图；
图3为本发明所述基于Wi-Fi的机器人的一种具体实施例的结构立体示意图；
图4为本发明所述机器人本体控制器的电原理图，其中(a)为AVR MEGA64单片机引脚图，(b)为电机控制芯片L298N电路图(c)为堵转保护电路图；
图5为本发明所述基于Wi-Fi的机器人的初始化流程图，其中5(a)为机器人初始化主程序的流程图，5(b)为嵌入式系统初始化子程序的流程图，5(c)自主导航系统初始化子程序的流程图，5(d)为排障、拯救作业系统初始化子程序的流程图；
图6为本发明所述基于Wi-Fi的机器人的远程计算机控制流程图；
图7为本发明所述基于Wi-Fi的机器人巡逻训练流程图；
图8为本发明所述基于Wi-Fi的机器人巡逻流程图；
图9为本发明所述基于Wi-Fi的机器人生命探测流程图；
图10为本发明所述基于Wi-Fi的机器人自动排障流程图。
具体实施方式
参见图1，机器人本体控制系统的硬件结构由ARM9微处理器为所述控制系统的核心配以外围电路组成，其中，
ARM9系列微处理器选用韩国三星公司产的S3C2440A嵌入式处理器，该处理器是一个由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器，它集成了以下主要功能：
●4通道DMA并有外部请求引脚；
●3通道UART(IrDA1.0，64字节TxFIFO，和64字节RxFIFO)；
●2通道SPI；
●1通道I2C接口(多主支持)；
●2端口USB主机/1端口USB设备；
●4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器；
●8通道10比特ADC和触摸屏接口；
●130个通用I/O口和24通道外部中断源；
所述的外围电路主要由分别接在S3C2440A的三个串行通讯口上的机器人本体控制器、机械手控制器和GPS模块、以I2C总线方式与S3C2440A连接的电子指南针、以USB总线方式与S3C2440A微处理器连接的Wi-Fi模块和分别接在S3C2440A的A/D转换功能的I/O口上的传感器组和CCD摄像机组成，其中，
1、机器人本体控制器由普通的AVR MEGA64单片机U1及其外围的驱动电路和保护电路组成。参见图4(b)，所述的驱动电路的核心由STMicroelectronics公司的L298N芯片U2担任，所述的芯片U2的输出口OUT1～OUT4组成两路输出，分别与机器人本体中履带行走机构13内的直流电机连接，由单片机U1相应I/O口控制电机的正转、反转和速度，进而控制机器人本体的前进、后退、转弯、停止以及行走的速度，完成巡逻任务。参见图4(c)，所述的保护电路由LM358(U3)和外围的阻容元件组成带滞回特性的电压比较器，检测L298N 1脚和15脚的电机电流强度检测信号，当检测到出现电机因堵转导致的电流增加时，可以立即改变比较器输出状态，同时这个信号传递到单片机的外部中断口，通过中断服务程序延时或立即切断电机电源，刹住电机，保护电机的安全。所述电压比较器的滞回特性，可以使LM358的正输入端具有高低双门限电压，避免电机转动过程中L298N的电机检测信号跳动导致保护电路误动作。
2、机械手控制器是由日本EleKit公司生产的MR-999E型五自由度的机械手配套的MARI控制器，该控制器通过串口和上位机S3C2440A通讯，接收上位机的指令控制机械手作出相应动作。
3、GPS模块选用丽台公司的LR9543全球定位卫星导航模块。所述的S3C2440A通过定时访问获取机器人本体此时此刻的位置。
4、所述的电子指南针为BQ-CA80-I2C电子数字指南针模块(采用了飞利浦公司的KMZ52芯片)。所述的电子指南针配合LR9543全球定位卫星导航模块，确定机器人本体行走的方向。
5、Wi-Fi模块为VIA VT6656嵌入式无线网卡。所述的无线网卡配置IP使得图像和遥控指令双向传送。
6、CCD摄像机为常规的CCD摄像机，其摄取的图像通过上述的VIA VT6656嵌入式无线网卡和互联网向远程计算机发送。友迅公司生产的DCS-1000专业级网络摄像机，提供VGA(640×480)分辨率、24位色的视频捕捉效果，使用10M/100M自适应以太网卡接口直接接入网络进行工作。本发明的摄像头是通过普通网线连接到网络口，使用网络控制芯片RTL8019AS经由过I/O口与核心S3C2440A相连。
7、传感器组由反射式红外传感器、热释电红外传感器、温度传感器、湿度传感器组成。
本实施例中，所述的外围电路还包括：
1、将机械手6连接固定在车厢14上的转盘5(见图3)的驱动电路，该电路的核心由L298N担任，其输出口OUT1～OUT2与转盘5内的直流电机连接，由单片机U1的I/O口输出信号控制电机的正转或反转。具体电路可参照4(b)设计。
2、将CCD摄像机8连接固定在车厢14上的全方位云台7的驱动电路，该电路的核心由L298N担任，其输出口OUT1～OUT4组成两路输出，分别与全方位云台7(见图3)内的两台直流电机连接，由单片机U1的I/O口输出信号控制两电机的正反转，达到控制CCD摄像机8水平旋转和其摄像头的俯仰运动。具体电路可参照4(b)设计。
3、两照明灯分别为常规车用LED灯，其电源开关的控制端与U1(S3C2440A)的I/O口连接。
4、警灯为警车常用的信号灯，其电源开关的控制端与U1(S3C2440A)的I/O口连接。
参见图3，本发明所述的机器人本体为一种主要由车厢14和履带行走机构13组成的履带式机动车辆；所述的红外线热释电传感器1为两只，分别嵌设在车厢14的前端面上，有利于感知车前的生命体；所述的反射式红外传感器2为四只，其中两只嵌设在车厢14的前端面上，并位于两红外线热释电传感器1的两侧，车厢14的两侧各设一只，以便于探测到障碍车周围的障碍物；所述湿度传感器11设在车厢后端，用于监测环境的湿度；所述温度传感器设在车厢内部(图3中没显示)，用于监测机器人内部的工作温度；所述的两照明灯3分别设在车厢14顶面的两前拐角处，便于在环境光线较暗的条件下CCD摄像机可拍摄到清晰的图像；所述的警灯4设在车厢14顶面前部的中间；所述的机械手6为日本EleKit公司生产的MR-999E型五自由度的机械手，该机械手由五个伺服电机和相应的机械结构组成，前端为夹状机构，并由一转盘5将机械手的底座连接固定在车厢14顶面前部的中间，可完成抓、放、举、旋转或各种组合动作；所述的CCD摄像机为友迅公司生产的DCS-1000专业级网络摄像机，由一全方位云台7连接固定在车厢的顶面，并位于所述作业机械手的后方，其中所述的全方位云台7由两个带编码器的行星减速电机控制，控制简单灵活，使CCD摄象机可灵活转动拍摄车四周的环境及机械手排障和拯救作业的场景；与Wi-Fi模块连接的两根天线9设在车厢14顶面的后部；GPS模块的增益天线10设在车厢14顶面后部的中间；所述的太阳能供电装置由常用的太阳能板和充电电路组成，其中太阳能板12覆盖在机器人本体的车厢14后部的上表面。
参见图2本发明机器人的控制系统分为三个控制层级，即：由ARM9系列微处理器承担整个系统的控制和管理；由电子指南针、GPS模块、传感器组、照明灯和警灯形成执行层，实现机器人对周围环境情况的视觉观察、机器人自身的定位与导航、障碍和生命体的探测以及障碍排除和生命体拯救；Wi-Fi模块通过无线路由和互联网与远程计算机进行通讯。
以下结合图5至图10详细描述本发明所述机器人工作过程和控制方法。
1、远程控制
本发明是通过Wi-Fi技术的无线局域网进行通讯和控制的。结合图5(b)和图6，对远程控制机器人进行说明。根据图5(b)所示的嵌入式系统初始化的流程图，Wi-Fi模块进行初始化后会自动连接无线路由器(与PC机的网卡功能类似)，由路由器自动分配机器人的IP地址，也可以使用手动获取的方式。若连接三次均不成功，则发出出错提示音，等待操作员查错。若连接成功，机器人则打开设置好的客户端网络端口，进入待命状态，监听发送的指令。
根据附图6，远程计算机获取输入设备操纵杆或者键盘的命令后，进行程序解析后，将相关的指令，通过向机器人的IP地址和相应的地址发送。命令发送的整个过程是通过TCP/IP协议，网络的传输对用户是透明的。
机器人接收到指令后，预设的程序通过查表的方式，响应远程计算机发送的命令，完成相应的动作。
2、巡逻
结合附图7和附图8简要说明本发明的巡逻功能。本发明在第一次使用时，没有设置相应的巡逻路径，必须对其进行训练，才能进行工作。
附图7是巡逻训练流程图。巡逻训练分两种，一种是自动巡逻训练，一种是手动巡逻训练。开机后，即进行初始化，附图5(a)、(b)、(c)、和(d)所示，相应的GPS定位数据和方向数据(与地理北极的角度的差值)存储在内存中。初始化完成后，机器人等待接收指令，当收到自动逻辑训练指令时，机器人等待输入目的地地址。当输入完整的目的地址信息，如东经113.2759952545166度，北纬23.117055306224895度时，机器人开始根据自身所在的经度纬度和目的地的经度纬度进行计算，电子指南针计算出目的地的方向，然后发送指令，所述的微处理接受指令后，通过机器人本体控制器控制机器人转向目的地所在方向前进。在行使过程中，由于前方可能遇到障碍物，必须绕开前进中遇到的障碍物。绕开障碍物后，机器人的指向已经发生改变，路径也发生了变化，必须根据实际情况及时修正路线，并储存在控制核心的FLASH中。当前坐标与目的地坐标重新计算后，根据电子指南针的读数，重新确定方向，并开始前进。经过反复的修正，最终达到目的地后。中间所产生的数据都会储存起来。
手动训练则是在操作员的手动操作下进行，机器人储存所走过的路径。直到收到训练完毕的指令后，完成操作。
巡逻训练完毕后，即可在起点和终点之间进行反复巡逻。根据附图8，机器人在没有收到停止指令的情况下，将会不间断的进行反复巡逻。在巡逻过程中，如果热释红外传感器探测到有入侵者，则全方位云台7驱动CCD摄像机8使其镜头对准入侵者，追踪拍摄，作为证据发送到指定的远程计算机进行存储。与其同时，警灯闪烁，拉响警报，并将报警信息反馈回远程计算机，提醒操作员注意。此过程将会反复进行，直到确认入侵者离开，才关闭报警。
3、排障
本发明装有机械手，能进行排障作业。以下结合附图10，对自动排除障碍物进行说明。在排障碍物之前，需要将障碍物的特征输入，建立相应的特征库。如排除岩石，应将纹理等相应的信息输入进特征数据库。本发明是在特征库已经建立好的情况下，进行自动排障碍物的作业。
在指定路线的行走过程中，如果测障电路检测到有障碍物，则对图像进行采集。采集回来的图像进行预处理，预处理包括图像去噪、图像增强、图像分割，选取出感兴趣的区域。紧接着进行特征提取操作，在根据数据库的档案特征，进行特征比对。如果目标物体不属于需要排除的障碍物，则绕开障碍物，继续行走。若检测到相符的物体，则根据障碍物的距离和提取的轮廓进行尺寸估算，若远大于能机械手搬动的范围，则上传远程计算机，提醒操作员注意，并等待返回的控制指令。若估算结果满足搬运条件，则通过模糊控制算法，控制机械手靠近障碍物。根据模糊控制方法，建立二次运算模型，不断调整机械手的位置，最终将障碍物抓住，并移动到指定的位置。
4、拯救生命
本发明机器人能在人不方便进入的条件下，进行生命探测。其流程如附图9所示。在进入目标区域后，热释红外传感器检测到有生命体的红外特征后，开始进行图像采集，并进行图像预处理。图像预处理包括：图像去噪、二值化、图像分割。再提取出该生命的特征，根据特征库的信息，进行比对，滤除其他动物的轮廓特征。若检测到是人，则闪警灯，并上传远程计算机，弹出报警信息(对话框)，提醒操作员注意。若检测到不是人，为减少误判机会，将可疑信息上传远程计算机，由操作员自行判断。

Claims (5)

1、一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于该机器人包括：
——机器人本体，它为一种主要由车厢(14)和履带行走机构(13)组成的履带式机动车辆，其中所述车厢(14)上设有一机械手(6)，该机械手由转盘(5)连接固定在车厢(14)顶面前部的中间；
——机器人控制系统，该系统以ARM9系列嵌入式微处理器为核心，外围配置电子指南针、GPS模块、CCD摄像机、由反射式红外传感器、热释电红外传感器、温度传感器和湿度传感器组成的传感器组、Wi-Fi模块、机器人本体控制器和机械手控制器构成；其中，所述的GPS模块、机器人本体控制器和机械手控制器分别接在所述微处理器的一串行口上，所述的CCD摄像机、传感器组和Wi-Fi模块分别设在微处理器的I/O口上，所述的电子指南针以I2C总线方式与微处理器连接；
所述的Wi-Fi模块一方面接收外部控制指令，另一方面将由CCD摄像机摄取的视频图像加密并向外发送；
所述的微处理器根据传感器组所探测到的信息以及GPS模块导航信息和电子指南针所确定的机器人本体的朝向，自主控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障和拯救任务；或者根据Wi-Fi模块所接收到的外部指令，远程控制机器人本体控制器和机械手控制器，完成巡逻、排障和拯救任务。
2、根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于该机器人还包括太阳能供电装置，该装置由覆盖在机器人本体的车厢(14)上表面的太阳能板和设在车厢(14)内部的充电电路组成。
3、根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于该机器人还包括设在车厢(14)顶部的警灯(4)，该警灯的电源开关的控制端与所述ARM9系列嵌入式微处理器的I/O口连接。
4、根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于该机器人还包括设在车厢(14)顶面的前拐角处的两照明灯(3)，该照明灯的电源开关的控制端与所述ARM9系列嵌入式微处理器的I/O口连接。
5、根据权利要求1～4之一所述的一种基于Wi-Fi的机器人，其特征在于所述的CCD摄像机由一全方位云台(7)连接固定在车厢(14)的顶面，位于所述机械手(6)的后方，且其摄像镜头高于固定机械手(6)的转盘(5)。
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