基于4G網絡的移動機器人遠程控制研究

王賽 劉子龍

摘 要：為解決移動機器人遠程控制終端不便捷問題，提出基于4G網絡的移動機器人遠程控制監控系統，使用Android手機客戶端通過4G網絡進行遠程視頻監控;以TCP與UDP協同作用的方式對控制命令和圖像信息進行遠程傳輸。實驗證明，Android智能手機終端可實時進行視頻監控，并遠程控制移動機器人運行狀態。遠程控制更加便捷，應用范圍更廣。

關鍵詞：監控系統;4G模塊;香橙派;TCP;UDP;Android手機

0 引言

智能移動機器人系統受到廣泛關注[1]，無線通信技術在移動機器人遠程控制方面得到廣泛應用。移動機器人控制系統相關技術研究較多：文獻[2-6]設計了基于3G網絡下的移動機器人遠程控制方案，但是傳輸的視頻分辨率較低，傳輸速度較慢;文獻[7]將4G網絡下的遠程監控技術應用于無人機監控系統;文獻[8]提出4G網絡下的視頻監控，但未涉及移動機器人模擬量傳輸;文獻[9-10]提出了移動機器人在WiFi網絡下的近距離遠程視頻監控系統，但是遠程控制距離有限;文獻[11-12]提出使用Android智能手機終端通過藍牙控制移動機器人;文獻[13-15]均采用PC作為控制終端。雖然這些控制方式滿足了移動機器人遠程控制要求，但是控制范圍有限，以PC作為控制終端靈活性不夠[16]。

隨著無線通信技術和Android智能手機的飛速發展，移動機器人遠程控制不僅僅局限于現場控制和PC端控制，應該與無線通信技術及Android智能手機尤其是4G網絡技術相結合，這對于有危險以及有污染的工作現場應用更具實際意義，如對危險場合工作的機器人系統進行監控。另外，基于Android的應用也是當今軟件開發的一個發展方向[17]。本文設計并實現了基于4G網絡技術進行遠程視頻監控的移動機器人系統，應用該系統不僅可以通過Android智能手機查看移動機器人攝像頭的視頻畫面，而且還可實現移動機器人與攝像頭的云臺運動，對現場設備進行操控及對現場環境實時監測。

1 系統總體設計

系統采用香橙派為主控制器，通過串口連接攝像頭在第一時間收集環境信息;香橙派通過I2C連接PWM控制器，通過GPIO連接電機與2自由度云臺，控制移動機器人運行以及攝像頭左右、上下轉動;通過TCP與UDP協同作用將控制命令和視頻信息通過4G模塊遠程傳輸到Android智能手機終端。系統總體框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

底層平臺控制系統設計是整個系統設計中最為重要的，它保證整個系統穩定運行，直接決定了控制系統水平高低[18]。移動機器人硬件部分主要包括主控制器模塊、4G通信模塊、視頻采集模塊、電機驅動模塊等。

2.1 主控制器模塊

香橙派是一款性價比特別高并且開源的平板電腦，是新一代ARM開發板，可以安裝Android、Ubuntu、Debian等操作系統。香橙派擁有1GB DDR3 內存以及全制H3系統級芯片，不僅提高了開發的方便性和工作的可靠性，還縮小了系統體積，應用十分廣泛。香橙派是基于ARM的Cortex-A7四核CPU，另外帶Mali400MP2的GPU，運行內存1G，最大支持64G TF卡，支持攝像頭模塊、HDMI等輸出，4個USB2.0接口，支持Java、Python、C、C++等編程語言，開發靈活。

2.2 4G模塊

經過對同類產品進行大量比較，最終選定宗安/ZOOAN的AF760-4G無線視頻通信模塊。它是工業級的4G模塊，支持4G/3G/2G+WiFi無線接入，有著快速的無線傳輸速率，最高可達150Mbps。支持移動、聯通和電信的SIM卡，實現了全網通。

2.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊選用SKU：RB-01C073A 樹莓派電機驅動板。驅動模塊含有3.3V電平6Pin串行接口，可與藍牙模塊、各類I2C接口模塊及超聲波模塊連接，制作開發更加方便、簡潔。

2.4 通信與控制

傳輸層分為傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數據協議UDP（User Datagram Protocol）兩種類型。TCP是面向連接的，能夠保證可靠的傳輸服務。但是當距離較長時，發送方和接收方必須經過許多路由，并且中間路徑可能經常阻塞，此時連接延遲非常高。而UDP是面向非連接的，可以有效進行網絡傳輸，但是會存在丟包現象，缺乏可靠性。

通過比較分析，系統使用TCP協議進行機器人移動和攝像頭云臺信息傳輸，視頻信息則采用UDP協議傳輸。理由如下：

（1）可靠性：移動機器人對于控制命令的可靠性要求較高，如果控制命令傳輸錯誤，會直接導致機器人動作錯亂。另一方面，機械式移動機器人對時間的響應有點遲鈍，故網絡傳輸延遲可以容忍，所以控制命令信息的傳輸采用TCP協議，這樣既降低了網絡傳輸的延時對移動機器人運動狀態的影響，又保證了控制信息傳輸的準確性和可靠性。

（2）實時性：移動機器人對視頻信息的實時傳輸要求很高，希望在有限的網絡傳輸速度下，盡可能實時掌握現場環境變化，這就必須減少網絡協議開銷。因此，選用UDP協議傳輸視頻信息[19]。

3 系統軟件設計

本文香橙派采用Android操作系統，通過Socket網絡編程實現通信。Android 智能手機作為Client端，主控板香橙派作為Server端。

3.1 控制命令傳輸與控制

4 實驗結果及分析

圖2和圖3是移動機器人外部和內部展示，圖3是Android智能手機終端APP界面，從中可以清晰地看到移動機器人遠程傳輸過來的視頻，并且可以通過手機終端中的左側按鈕實現移動機器人攝像頭上下 、左右兩個自由度旋轉，從而以第一視覺查看移動機器人周邊環境。同時，移動機器人運動狀態通過右側的4個按鈕實現，包括移動機器人的前進、后退、左轉和右轉。UDP和TCP協議的協同作用，不僅提供了清晰的視頻，還提供了準確可靠的控制命令。

5 結語

本文通過4G無線通信技術實現了移動機器人的遠程監控系統，并通過Android智能手機終端實現遠程控制移動機器人運動狀態和攝像頭云臺的移動。測試結果表明，該系統穩定可靠，實時性好。不僅解決了有危險以及有污染的工作現場設備控制，而且結合Android智能手機終端技術，使得移動機器人控制更加靈活。后續可在此基礎上進一步開發與擴展功能，也可與5G模塊和5G 手機終端相連以降低視頻傳輸延遲。

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（責任編輯：杜能鋼）