何友奇1，蔣新華1,2，聶明星1,2

　　(1. 中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083； 2. 福建工程學院 信息科學與工程學院，福建 福州 350108)

　　摘要：為解決傳統搬運機器人采用無線電或紅外遙控方式可操控範圍較小的問題，在基于高速WiFi無線傳輸技術的基礎上，設計了一個結合自動尋迹與遠程視頻監控的6自由度機器人模型系統。該模型機器人通過高速WiFi實現指令下達及視頻監控，并采用紅外反射方式識别地面預設黑色引導線實現自動尋迹，同時開發了機械臂動作記憶功能來自動完成指定的工作。現場實驗測試結果驗證了本機器人系統的可行性。

　　0引言

　　在當今工業與信息的時代，自動化是社會追求的目标，而智能機器人則是實現自動化的主要途徑之一，其在生活和工業等各領域的應用也越來越廣泛［1］。這其中搬運機器人發揮着重要的作用，主要代替人完成物體的夾取、運輸、擺放工作，可工作于人類無法進入或對人體有害的工作環境。傳統搬運機器人多采用無線電或者紅外的方式來進行遙控，可操控範圍較小，并且需要特定的控制器［2］。因此，本文設計了一種結合Wi-Fi無線控制的6自由度搬運機器人，可根據給定線路自動尋迹，并通過高速Wi-Fi網絡實現實時視頻圖像采集與傳輸，操作人員實時監控、修正機器人的行進軌迹，并操作機械臂進行拾取搬運動作。

　　1總體設計

　　本系統采用主從式結構，主要由上位機控制端和機器人端構成。上位機與機器人通過WiFi建立高速無線連接，機器人端的視頻數據以及傳感器數據通過Wi-Fi無線鍊路實時傳輸回上位機，同時上位機的指令也通過WiFi網絡傳輸到WiFi通信模塊，再通過通信模塊的串口發給STM32F103ZET6組成的主控系統，由STM32F103ZET6分析接收到的指令并驅動直流電機、模拟舵機來完成最終的動作實現，控制機器人的行為，實現交互式操作。在監控過程中，操作員可根據現場情況随時開啟或關閉機器人的自動循迹功能和6自由度機械臂動作記憶功能。在固定的工作場所開啟自動尋迹功能時，PC端監控自動循迹執行情況或在出現緊急情況時對其進行遙控。開啟機械臂動作記憶功能時，操作員通過上位機設定一系列動作後，機械臂便可以循環執行這一系列動作。

　　2系統硬件設計

　　2.1機器人系統的硬件結構

　　機器人端硬件結構如圖1所示。控制器采用高性能32位處理器STM32F103ZET6，最高工作頻率為72 MHz。視頻采集使用USB無驅攝像頭，電機驅動采用1片L298N驅動機器人左右主動輪的直流電機，Wi-Fi通信模塊支持OpenWrt，無線傳輸速率為150 Mb/s，負責接收上位機的指令并把攝像頭采集的圖像數據傳輸回上位機端。障礙物檢測模塊采用紅外光電開關E18-D80NK，檢測距離在3~80 cm之間可調。

　　2.2電源模塊

　　主電源采用12 V锂電池，10 000 mAh大容量，最大輸出電流為6 A，具有短路保護。該電源經DCDC降壓後可以輸出12 V、5 V和3.3 V電壓，可以為兩個直流電機、STM32F103ZET6控制系統和WiFi通信模塊供電。機械臂6路舵機耗電量大且負載時電流較大，因此采用航模锂電池獨立電源，規格為20 C/1 500 mAh/7.4 V，最大輸出電流為30 A，經過兩個大功率降壓二極管後輸出電壓為6 V左右，為6路舵機供電。

　　2.3路徑識别

　　路面信息檢測模塊采用價格低、體積小、數據處理簡便的紅外反射式光電傳感器［3］，型号為TCRT5000，其檢測距離為1~2 cm；傳感器采用高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管。

　　本設計采用7個紅外光電傳感器，呈一字等間距排列，相互間隔1.5 cm，離地高度為1 cm。經實際測試，用于識别黑色引導線效果良好，各傳感器之間不會出現死區，同時便于安裝，說明光電傳感器的數量合理，空間位置設置可行。由于紅外光電傳感器發出的是錐形的紅外光，為了提高路徑信息檢測的前瞻性，傳感器與地面有一定的傾角［4］，傾角約為40°。圖2、圖3所示分别為傳感器發光示意圖和安裝示意圖。

　　TCRT5000的應用電路如圖4所示。U1為電壓比較器LM324N，對信号進行整形。當傳感器檢測到路面黑線時，光線大部分被吸收，反射很弱，光敏晶體管無法導通，OUT端輸出高電平；當檢測到白色地面時，光線大部分被反射，光敏晶體管導通，OUT端為低電平，這樣就完成了白色背景下黑色引導線的檢測［5］。

　　傳感器輸出的微弱電信号經傳感器信号處理電路調理後送入單片機，單片機對采集到的信号進行分析處理并做出邏輯判斷和尋迹控制決策後輸出兩路PWM 電機調速信号，PWM 信号再經驅動電路後分别控制兩個主動輪上直流電機的轉速，最終實現控制小車行進方向和速度的功能［6］。

　　3軟件設計

　　3.1系統的軟件結構

　　本系統的軟件結構如圖5所示，系統軟件由上位機軟件、WiFi通信模塊程序和下位機程序三部分組成。WiFi通信模塊運行OpenWrt，這在刷機階段完成。OpenWrt提供了相關設備驅動，驅動無線模塊作為WiFi網絡熱點，提供上位機通信連接；同時WiFi模塊把攝像頭采集的圖像數據傳輸回上位機端。PC上位機端和WiFi通信模塊端之間通過自定的通信協議完成通信，上位機軟件通過高速WiFi控制車體和機械臂的行為，WiFi通信模塊接收上位機發來的指令，并通過串口發送給下位機程序，下位機程序将控制指令進行解釋并執行，控制相應部件執行動作。

　　3.2上位機軟件設計

　　3.2.1軟件程序框圖

　　上位機軟件主要實現程序調試、視頻監控、機器人行進及機械臂動作控制等功能。程序框圖如圖6所示。運行上位機軟件後，先判斷是否進行調試，如果進行調試的話，可以選擇串口方式或者WiFi的方式。調試完成後，連接路由器開啟攝像頭，再判斷是否開啟自動尋迹和開啟動作記憶。如果開啟了自動尋迹，則進入自動尋迹模式，機器人在行進過程中先檢測行進路線上是否有障礙。檢測到障礙時機器人會自動停止并關閉自動尋迹并返回信息給上位機，上位機端會提示有障礙，操作人員遙控機器人通過障礙使其回到軌迹，再根據情況判斷是否開啟自動尋迹，自動尋迹檢測到終點時機器人會自動停止。如果開啟了機械臂動作記憶，則通過遙控設定機械臂要完成的一系列動作，之後機械臂就可以自動地循環執行動作。如果既沒有開啟自動尋迹功能也沒有開啟動作記憶，則進入遙控模式。操作人員在上位機端通過視頻監控界面實時控制機器人行進、轉向與機械臂的動作，直至終點。在遙控過程中，可随時開啟自動尋迹與機械臂動作記憶。

　　3.2.2視頻顯示的實現

　　主要使用的組件有Timer、Image和IdHTTP。WiFi通信模塊可以把USB攝像頭采集的圖像數據傳回地址為http://192.168.8.1:8083/?action=snapshot的網頁上，隻要在定時器的OnTime事件處理過程中調用IdHTTP組件的get方法不斷地快速打開該網頁獲取圖片，再把該圖片轉化為内存流顯示在Image組件上就可以實現目的。隻要定時器的周期足夠短，獲取網頁内容的速度足夠快(即圖片幀率足夠快)，就能實現流暢的視頻效果。該Timer的屬性Interval設置為20，即每20 ms獲取圖片内容并顯示，這樣畫面幀率達到50 fps，顯示效果足夠流暢。具體的定時器OnTime事件處理程序框圖如圖7所示。

　　3.3通信協議

　　通信協議是上位機與WiFi通信模塊連接的紐帶。上位機的指令采用數據包的格式，相比于單字符格式指令，數據包格式指令抗幹擾性更強，指令傳輸正确率更高［7］。指令數據包由包頭、數據位加包尾構成，沒有校驗位；包頭固定為0XFF，包尾固定為0XFF。上位機軟件連接WiFi通信模塊後，通過Socket發送指令包到WiFi通信模塊。WiFi通信模塊接收到指令數據包後通過串口發送給STM32F103ZET6控制器，STM32F103ZET6根據指令控制各模塊執行相應的動作。将6自由度的機械臂從下到上的6個舵機編号為1~6。具體的通信協議如表1所示。

　　3.4下位機軟件

　　下位機程序主要介紹自動尋迹的實現。機器人實現自動尋迹的流程圖如圖8所示。

　　圖8自動尋迹流程圖當機器人位于白底黑線的路面上時，機器人的行進和轉向都由左右兩個直流驅動電機的轉速決定。左右兩個直流驅動電機的控制信号由STM32F103ZET6的PA6和PA7輸出。根據傳感器檢測的不同的路徑信息，這兩個端口可以輸出占空比不同的PWM方波，占空比越高直流電機的轉速越快［8］。通過分别控制左右兩個電機的轉速可以比較精确地控制機器人的行進速度和轉向大小。

　　本系統設置路徑引導黑線寬1 cm。一字排列的7個光電傳感器在STM32F103ZET6的PB0~PB6端口上可以形成不同的狀态字，代表不同的位置信息。如果PB0~PB6的某個端口輸入是高電平“1”，則表示對應的光電傳感器檢測到黑色引導線［9］。開啟10 Hz時基中斷後，每0.1 s中斷一次，在中斷中讀取PB0~PB6的狀态，完成傳感器信号掃描。根據PB0~PB6不同的狀态，STM32F103ZET6控制PA6和PA7輸出占空比不同的PWM信号，控制機器人沿黑線行進和轉向，實現自動尋迹。具體的行進和轉向控制如表2所示，*表示此位可為“0”或者“1”。

　　4實驗和測試

　　4.1上位機視頻監控範圍測試

　　4.1.1上位機監控界面

　　上位機軟件采用Delphi 7開發，監控主窗口如圖9所示，由串口收發區、行進方向控制區、攝像頭視頻顯示區、TCP Socket收發區、機械臂控制區以及數據采集區組成。

　　4.1.2視頻監控的距離測試

　　該測試用來測試WiFi連接下視頻監控的有效距離，地點選在室外空曠地帶，分别測試模型機器人距離上位機10 m、20 m、30 m、40 m、60 m、80 m時，上位機端視頻監控畫面的流暢度。流暢度分為3個等級：流暢、一般流暢、有卡頓。測試結果如表3所示。在30 m範圍内，視頻監控畫面清晰流暢；40~60 m範圍内，視頻流暢度降低并出現卡頓；距離達到80 m時，WiFi連接已失效，視頻數據無法傳輸回上位機端。

　　4.2機器人自動尋迹測試

　　機器人自動尋迹測試實驗主要考察在不同輪廓路徑下路徑識别的準确率。自動尋迹路徑測試場地如圖10所示,機器人出發點為A，經過B、C、D、E、F、G,到達終點H。實驗測試分為6組，分别為：B→C直線路徑測試,B→C→D 90°左轉折線路徑測試，C→D→E 90°右轉折線路徑測試，十字交叉點E測試，E→F曲率較小曲線路徑測試，F→G→H曲率較大曲線路徑測試。

　　每組實驗分别測試20組，記錄成功次數和失敗次數，結果如表4所示。多次尋迹實驗表明，當尋線路經為直線、90°折線及曲率較小的曲線時，機器人自動尋線的成功率為100%；當尋線路徑為曲率較大的曲線時，機器人的尋線成功率降為90%。可見曲線的曲率會影響自動尋迹的成功率。

　　機器人自動尋迹的測試如圖11所示。

　　5結論

　　本文設計了一種結合WiFi無線控制的6自由度模型機器人，該模型機器人可根據給定線路自動尋迹，并通過高速WiFi網絡實現實時視頻圖像采集與傳輸。操作人員可實時監控，修正機器人的行進軌迹，并控制機械臂進行拾取搬運動作，這些動作可在被記憶後自動執行。測試表明，在空曠地帶時，40 m範圍内視頻監控畫面清晰流暢，對機器人的行進控制以及機械臂的動作控制都非常穩定；機器人路徑識别的準确率很高，自動尋迹達到預期效果。經過進一步完善與改進，本文設計的模型機器人在服務業、工業自動化等領域具有重要的應用價值。

　　參考文獻

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