基于手机控制的视频机器人系统研究

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　　摘要：本文设计开发了基于手机控制的视频机器人系统，系统主要包括硬件设计和软件设计，硬件系统由电源模块、视频传输模块、驱动板模块和舵机云台等部分组成，软件系统包括上位机软件编写和单片机程序编写。实验结果表明：本系统可以使用手机远程遥控小车多种方式运动，实现现场环境图像信息采集、图像实时传递和环境监测等功能。
　　关键词：WiFi;Android设备;上位机;单片机
　　中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0112-02
　　0 引言
　　随着科学技术的日新月异，机器人及其相关技术被广泛应用于工业、农业、国防、交通等诸多领域。手机作为我们日常生活中的一种通讯工具，尤其是智能手机在最初性能基础上，其功能变得越来越丰富，目前大多数的智能手机都集成了加速度传感器、重力感应器、蓝牙模块、WiFi、摄像头等，使得手机可以很好地识别各种指令，并作为控制端可以实现多种方式控制，识别的指令可以通过蓝牙、WiFi、3/4/5G等信号传输给机器人，从而实现远程设备控制，基于上述思想[1-4]。本文提出基于手机控制的视频机器人系统实验研究，利用安卓手机作为机器人控制器，快速搭建小型机器人平台，终端控制设备采用手机，运动控制采用单片机搭建的移动小车，通过安卓提供的WiFi功能连接到机器人的WiFi模块，发送控制命令控制其运动，并实现远程小车的视频拍摄和监控功能。
　　1 系统总体设计
　　本系统中，上位机手机Android客户端与下位机WiFi视频小车之间，需要实现一个控制命令与视频传输的网络环境，实现方案是首先搭建系统的控制命令和视频信息传输的WiFi网络环境，通过单片机驱动板与WiFi模块上的小型路由器来实现，具体操作是在视频小车的WiFi模板上安装一个小型路由器，使视频小车周围一定范围具有WiFi覆盖，然后将安卓手机连接到WiFi模块路由器IP地址，对其发送控制指令和接受视频数据，路由器通过串口与单片机控制系统进行交互通信。以安卓手机作为控制终端，通过WiFi传输指令来控制视频小车的运行，同时接收视频小车上搭载的摄像头传递过来实时视频画面。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 电源模块
　　智能小车选择使用带大电流保护板的18650锂电池组，给整个单片机系统供电，使用标准的5.5mm×2.1mm的圆形充电接口，按下下位机驱动板上的总开关后，整个单片机系统就可以通电。电源网络由以下三个部分组成：（1）经过选波电路的大电容滤波后，电池电压直接给单片机系统的电机驱动芯片供电，驱动小车电机工作;（2）经过选波电路和降压芯片降压为5V后，给舵机、WiFi模块、摄像头供电;（3）经过选波电路和其他稳压芯片后，提供合适电压给WiFi模块芯片、单片机芯片供电。
　　2.2 视频传输模块
　　本实验中选择使用的WiFi模块，是基于开源路由器系统openwr1开发的固件，内置了mjpg-streamer推流服务程序。WiFi模块通过采集挂载在USB接口的MJPG格式的摄像头数据，并编码封装成HTTP协议的视频流，默认推送到8080端口。安卓设备连接到WiFi模块的热点后，打开控制软件，会自动从8080端口获取MJPG视频流，并进行解码、显示，WiFi模块上的路由器预留有TTL串口，TTL串口可以用来调试或者刷机，把TTL串口引出来，然后通过安装在WiFi模块路由器里面的软件，把来自WiFi模块的指令转到串口输出，与单片机驱动板上的芯片建立通信连接，WiFi视频小车就可以接收到上位机手机安卓客户端发送给它的指令，由此实现WiFi智能小车的实时视频传输功能。
　　2.3 驱动板模块
　　按照系统整体设计思想，选取一款单片机驱动板51duino，51duino是一款基于8051核心单片机的创客拓展平台，对比传统的8051单片机，51duino使用了增强型的51内核单片机STC11F32XE，其内部拥有32KFlash，1280字节SRAM，板载晶振22.1184MHz。51duino可以驱动常见的智能小车传感器和外设，如红外避障、超声波、伺服舵机、电机等等。
　　2.4 摄像头
　　本实验中使用的摄像头连接在WiFi模板上，目的是让小车能实现视频监控的功能，由于WiFi模板上运行的是微型电脑系统，不能兼容大部分的摄像头，所以选择使用的是MJPG格式的摄像头，这个摄像头可以正好匹配到WiFi模板上的驱动程序。
　　2.5 舵机云台
　　本实验研究中使用的智能视频小车监控系统，可以实现水平方向左右0°～180° 角度转动，垂直上下空间0°～90°角度的旋转拍摄，实现方法是由两个舵机组成一个运动云台，把摄像头安装在上面，然后通过安卓手机操作，就可以实现控制云台拍摄、显示任意角度图像和画面记录。
　　3 系统软件设计
　　本设计中的下位机开发使用的是Keil C51软件开发系统，用C语言编写下位机程序，实现电机和舵机控制。该软件能够减少使用汇编语言开发的麻烦，并且本系统中软件部分的主程序是对单片机的操控，控制程序采用C语言编写，并利用Keil软件进行编译。
　　4 系统调试
　　系统的调试主要是对手机、触摸屏和智能小车的控制情況进行操作。首先打开机器人电源，等待三十秒钟时间，系统启动完毕;其次打开手机WiFi无线列表，找到WiFi-robots.com的无线热点，连接上去，打开控制软件，进入系统设置页面，设置视频地址、控制地址、控制端口，基本动作指令配置完成，指令设定好后，保存即可。在设置参数完成后，点击启动按钮，进入手机WiFi配置界面，连接到智能视频小车的WiFi热点，安卓手机客户端软件上就会显示拍摄到的画面，然后通过主控界面的控制按钮键，就可以实现直接控制智能视频小车的各种运动，例如前进、后退、停止、左转、右转、左前转、左后转、右前转、右后转、快速行进、慢速行进等不同形式的运动，通过滑动屏幕，视频小车上搭载的云台摄像头，就可以进行最大远程距离90米范围，水平面左右方向180°转动，垂直上下空间90°的转动角度拍摄现场实时画面和视频。 　　5 結语
　　本文设计和研究了基于手机控制的视频机器人系统，系统以智能小车为移动平台，利用无线传感器网络技术，通过WiFi网络环境建立无线连接，实现远程现场环境图像信息采集和实时传递功能，该系统具有良好的操控性和实用性，便于在危险、未知、狭小空间环境下的环境监测、空间搜索和灾情救援等任务完成。
　　参考文献
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　　[2] 高力，王庭友.基于STM32的无线实时监控智能履带小车设计[J].新技术新工艺，2016（8）：12-14.
　　[3] 郑创杰，刘芹.基于嵌入式Linux与单片机的WiFi监控小车[J].仲恺农业工程学院学报，2016，29（4）：44-47.
　　[4] 郝禹程，李焱琪.基于WiFi智能小车的消防机器人[J].电子制作，2016（1）：22-23.
　　Research on Video Robot System Based on Mobile Phone Control
　　JI  Yuan-ming，XIONG Lin-cheng
　　（School of  Mathematics and Physics， Qingdao University of  Science & Technology， Qingdao  Shandong  266061）
　　Abstract：This paper designs and develops a video robot system based on mobile phone control. The system mainly includes hardware design and software design. The hardware system is composed of power module， video transmission module， drive board module and steering engine platform. The software system includes upper computer software and single chip computer program. The experimental results show that the system can use mobile phone remote control car to move in many ways， and realize the functions of on-site environmental image information collection， image real-time transmission and environmental monitoring.
　　Key words：WiFi;Android device;upper compute;single chip microcomputer
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