基于手機控制的視頻機器人系統研究

籍遠明 熊林成

摘要：本文設計開發了基于手機控制的視頻機器人系統，系統主要包括硬件設計和軟件設計，硬件系統由電源模塊、視頻傳輸模塊、驅動板模塊和舵機云臺等部分組成，軟件系統包括上位機軟件編寫和單片機程序編寫。實驗結果表明：本系統可以使用手機遠程遙控小車多種方式運動，實現現場環境圖像信息采集、圖像實時傳遞和環境監測等功能。

關鍵詞：WiFi;Android設備;上位機;單片機

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0112-02

0 引言

隨著科學技術的日新月異，機器人及其相關技術被廣泛應用于工業、農業、國防、交通等諸多領域。手機作為我們日常生活中的一種通訊工具，尤其是智能手機在最初性能基礎上，其功能變得越來越豐富，目前大多數的智能手機都集成了加速度傳感器、重力感應器、藍牙模塊、WiFi、攝像頭等，使得手機可以很好地識別各種指令，并作為控制端可以實現多種方式控制，識別的指令可以通過藍牙、WiFi、3/4/5G等信號傳輸給機器人，從而實現遠程設備控制，基于上述思想[1-4]。本文提出基于手機控制的視頻機器人系統實驗研究，利用安卓手機作為機器人控制器，快速搭建小型機器人平臺，終端控制設備采用手機，運動控制采用單片機搭建的移動小車，通過安卓提供的WiFi功能連接到機器人的WiFi模塊，發送控制命令控制其運動，并實現遠程小車的視頻拍攝和監控功能。

1 系統總體設計

本系統中，上位機手機Android客戶端與下位機WiFi視頻小車之間，需要實現一個控制命令與視頻傳輸的網絡環境，實現方案是首先搭建系統的控制命令和視頻信息傳輸的WiFi網絡環境，通過單片機驅動板與WiFi模塊上的小型路由器來實現，具體操作是在視頻小車的WiFi模板上安裝一個小型路由器，使視頻小車周圍一定范圍具有WiFi覆蓋，然后將安卓手機連接到WiFi模塊路由器IP地址，對其發送控制指令和接受視頻數據，路由器通過串口與單片機控制系統進行交互通信。以安卓手機作為控制終端，通過WiFi傳輸指令來控制視頻小車的運行，同時接收視頻小車上搭載的攝像頭傳遞過來實時視頻畫面。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

智能小車選擇使用帶大電流保護板的18650鋰電池組，給整個單片機系統供電，使用標準的5.5mm×2.1mm的圓形充電接口，按下下位機驅動板上的總開關后，整個單片機系統就可以通電。電源網絡由以下三個部分組成：（1）經過選波電路的大電容濾波后，電池電壓直接給單片機系統的電機驅動芯片供電，驅動小車電機工作;（2）經過選波電路和降壓芯片降壓為5V后，給舵機、WiFi模塊、攝像頭供電;（3）經過選波電路和其他穩壓芯片后，提供合適電壓給WiFi模塊芯片、單片機芯片供電。

2.2 視頻傳輸模塊

本實驗中選擇使用的WiFi模塊，是基于開源路由器系統openwr1開發的固件，內置了mjpg-streamer推流服務程序。WiFi模塊通過采集掛載在USB接口的MJPG格式的攝像頭數據，并編碼封裝成HTTP協議的視頻流，默認推送到8080端口。安卓設備連接到WiFi模塊的熱點后，打開控制軟件，會自動從8080端口獲取MJPG視頻流，并進行解碼、顯示，WiFi模塊上的路由器預留有TTL串口，TTL串口可以用來調試或者刷機，把TTL串口引出來，然后通過安裝在WiFi模塊路由器里面的軟件，把來自WiFi模塊的指令轉到串口輸出，與單片機驅動板上的芯片建立通信連接，WiFi視頻小車就可以接收到上位機手機安卓客戶端發送給它的指令，由此實現WiFi智能小車的實時視頻傳輸功能。

2.3 驅動板模塊

按照系統整體設計思想，選取一款單片機驅動板51duino，51duino是一款基于8051核心單片機的創客拓展平臺，對比傳統的8051單片機，51duino使用了增強型的51內核單片機STC11F32XE，其內部擁有32KFlash，1280字節SRAM，板載晶振22.1184MHz。51duino可以驅動常見的智能小車傳感器和外設，如紅外避障、超聲波、伺服舵機、電機等等。

2.4 攝像頭

本實驗中使用的攝像頭連接在WiFi模板上，目的是讓小車能實現視頻監控的功能，由于WiFi模板上運行的是微型電腦系統，不能兼容大部分的攝像頭，所以選擇使用的是MJPG格式的攝像頭，這個攝像頭可以正好匹配到WiFi模板上的驅動程序。

2.5 舵機云臺

本實驗研究中使用的智能視頻小車監控系統，可以實現水平方向左右0°～180° 角度轉動，垂直上下空間0°～90°角度的旋轉拍攝，實現方法是由兩個舵機組成一個運動云臺，把攝像頭安裝在上面，然后通過安卓手機操作，就可以實現控制云臺拍攝、顯示任意角度圖像和畫面記錄。

3 系統軟件設計

本設計中的下位機開發使用的是Keil C51軟件開發系統，用C語言編寫下位機程序，實現電機和舵機控制。該軟件能夠減少使用匯編語言開發的麻煩，并且本系統中軟件部分的主程序是對單片機的操控，控制程序采用C語言編寫，并利用Keil軟件進行編譯。

4 系統調試

系統的調試主要是對手機、觸摸屏和智能小車的控制情況進行操作。首先打開機器人電源，等待三十秒鐘時間，系統啟動完畢;其次打開手機WiFi無線列表，找到WiFi-robots.com的無線熱點，連接上去，打開控制軟件，進入系統設置頁面，設置視頻地址、控制地址、控制端口，基本動作指令配置完成，指令設定好后，保存即可。在設置參數完成后，點擊啟動按鈕，進入手機WiFi配置界面，連接到智能視頻小車的WiFi熱點，安卓手機客戶端軟件上就會顯示拍攝到的畫面，然后通過主控界面的控制按鈕鍵，就可以實現直接控制智能視頻小車的各種運動，例如前進、后退、停止、左轉、右轉、左前轉、左后轉、右前轉、右后轉、快速行進、慢速行進等不同形式的運動，通過滑動屏幕，視頻小車上搭載的云臺攝像頭，就可以進行最大遠程距離90米范圍，水平面左右方向180°轉動，垂直上下空間90°的轉動角度拍攝現場實時畫面和視頻。

5 結語

本文設計和研究了基于手機控制的視頻機器人系統，系統以智能小車為移動平臺，利用無線傳感器網絡技術，通過WiFi網絡環境建立無線連接，實現遠程現場環境圖像信息采集和實時傳遞功能，該系統具有良好的操控性和實用性，便于在危險、未知、狹小空間環境下的環境監測、空間搜索和災情救援等任務完成。

參考文獻

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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