遙控機(jī)器人

基于WiFi的機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計技術(shù)解決方案

馬虹

【摘要】結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展,以組太網(wǎng)為基礎(chǔ),突出上位機(jī)的作用,著重分

析了基于WiFi的機(jī)器人的利用方法和界定,進(jìn)行了WiFi接口設(shè)計及機(jī)器人終端控

制研究,探討了網(wǎng)絡(luò)模式下多機(jī)器人系統(tǒng)的研究方法和關(guān)鍵技術(shù).

【期刊名稱】《南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報》

【年(卷),期】2013(013)004

【總頁數(shù)】3頁(P22-24)

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人;WIFI;解決方案

【作者】馬虹

【作者單位】南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與電氣工程學(xué)院,江蘇南京210023

【正文語種】中文

【中圖分類】TN925

目前在機(jī)器人的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，世界各國都已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。在這方面較為領(lǐng)

先的日本最近向全球展示的ASIMO機(jī)器人引起了世人的關(guān)注。然而，機(jī)器人的應(yīng)

用還有很多關(guān)鍵技術(shù)未能突破，即使有較好的解決方案，也會被困于硬件設(shè)備的資

源或能力不足(典型的是計算能力不足)。而云計算概念的提出似乎給機(jī)器人研究找

到了新的突破口。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的JamesKuffner教授在Humanoid2010大

會上說，云計算機(jī)器人將會徹底改變機(jī)器人發(fā)展的進(jìn)程，極大地促進(jìn)軟件系統(tǒng)的完

善，因為研究人員不必再受制于硬件資源的局限，特別是機(jī)器人的中央控制系統(tǒng)，

可以想到的是，可能機(jī)器人的軟件系統(tǒng)會先于硬件系統(tǒng)而完善［1］。

本文研究的主要目的是設(shè)計和實現(xiàn)一個基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的智能識別機(jī)器人。首

先總結(jié)了大量國內(nèi)外與智能機(jī)器人相關(guān)的文獻(xiàn)資料，深入地分析了當(dāng)前智能機(jī)器人

發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)出在該領(lǐng)域存在的問題、機(jī)遇和挑戰(zhàn)，提出了一種基于WiFi的解

決方案。本方案由機(jī)器人、支持WiFi的無線路由器組成。硬件機(jī)器人只負(fù)責(zé)機(jī)械

運(yùn)動、數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)裙δ埽枰M(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)計算的功能則在PC端執(zhí)

行。機(jī)器人與PC之間的通信通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)連接。

1機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

計算機(jī)等學(xué)科的發(fā)展推動了機(jī)器人技術(shù)的迅速進(jìn)步，智能識別機(jī)器人市場潛力巨大，

使得與其相關(guān)的技術(shù)成為學(xué)術(shù)研究的熱點問題。包括人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、模

式識別等都與現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)有著密切的聯(lián)系。但也存在技術(shù)不夠成熟、成本高等

問題。

我們知道，傳統(tǒng)機(jī)器人內(nèi)置個人電腦，使之有較強(qiáng)的自主性，但內(nèi)置電腦顯然使機(jī)

器人變得更復(fù)雜。而引入WiFi技術(shù)，使得機(jī)器人只負(fù)責(zé)機(jī)械運(yùn)動，至于數(shù)據(jù)采集、

網(wǎng)絡(luò)通信、信號處理、數(shù)據(jù)計算等均由PC執(zhí)行。本項目研究的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾

點。

(1)試圖讓中央控制系統(tǒng)(大腦)的開發(fā)人員，可以透過上位機(jī)來為機(jī)器人添加、完善

各種功能，實現(xiàn)與硬件設(shè)備脫離的關(guān)系。

(2)方案以WiFi為承載網(wǎng)絡(luò)，簡化機(jī)器人的設(shè)計，提高執(zhí)行效率。

(3)研究將WiFi和機(jī)器人結(jié)合的最佳途徑，降低人們的使用成本(不再有大量閑置

的計算能力)，并且也利于讓機(jī)器人商業(yè)化(收費(fèi)途徑集中到中央服務(wù)器，周期化)，

使機(jī)器人領(lǐng)域能夠發(fā)揮大作用。比如駕駛機(jī)器人，能和交通部門的服務(wù)器通信，自

動規(guī)劃最優(yōu)化的路線［2］。

(4)多機(jī)器人系統(tǒng)存在協(xié)調(diào)難點。可以根據(jù)自然界中的群體行為進(jìn)行協(xié)調(diào)和協(xié)作。

這就是具有通信約束的多機(jī)器人系統(tǒng)的編隊控制問題。解決的方法較多，如采用時

延依賴性質(zhì)分布式編隊控制算法。

2WiFi模塊遙控機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計技術(shù)解決方案

在制定本方案中首先必須解決多機(jī)器人編隊問題。目前，國內(nèi)外對多機(jī)器人編隊問

題的研究主要有跟隨領(lǐng)航者法、基于行為的方法、虛擬結(jié)構(gòu)法、運(yùn)動勢場法等。本

項目方案根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的研究成果采用粒子群優(yōu)化法。它是一種非常有效的智能參

數(shù)優(yōu)化算法，可對參數(shù)進(jìn)行實時配置，以實現(xiàn)多機(jī)器人之協(xié)調(diào)問題［3］。

其次是硬件選擇問題。本項目基于WiFi模塊的遙控機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計技術(shù)試驗解決

方案，采用深圳遠(yuǎn)嘉科技公司的智能遙控機(jī)器人套件產(chǎn)品，它是一套用于開展機(jī)器

人創(chuàng)新實驗的模塊化機(jī)器人套件，具備多種基本構(gòu)件組成的模塊化零件套裝，包括

一個基于高性能DSP處理器的核心控制板，多個機(jī)器人專用大扭矩數(shù)字驅(qū)動器組，

1個支持重力傳感的2.4GHz遙控器，6組紅外傳感器單元和雙通道48kHz采樣

音頻傳感器單元，以及配套的結(jié)構(gòu)組件、可充電電池及機(jī)器人專用傳輸線等。

RoboEx機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件和創(chuàng)新的連接方式專為創(chuàng)作各類機(jī)器人而設(shè)計，連接非常

方便，用這些模塊化零件，可以搭建出各種機(jī)器人模型來。

2.1WiFi模塊介紹

(1)WiFi-XLW001S

串口WiFi模塊價格便宜，并綜合了國外同行的WiFi先進(jìn)技術(shù)，適應(yīng)家居電器、

數(shù)碼、醫(yī)療智能化控制一體解決方案，如WM001S系列芯片，具有體積小、重量

輕、功耗小等特點。

WiFi-XLW001S是遠(yuǎn)嘉科技推出的全新的第一代嵌入式Uart-Wifi模塊產(chǎn)品。

Uart-Wifi是基于Uart接口的符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)

絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)

絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。通過Uart-Wifi模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備也能輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)。

WiFi－－XLW001S在前一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的軟硬件升級，功能更加強(qiáng)

大，使用更加簡單。

(2)EMB－380C

EMB－380C為該接口設(shè)計所選擇的WiFi模塊。它內(nèi)部集成了嵌入式TCP/IP協(xié)

議棧，支持主流的常用協(xié)議，如ARP、ICMP、IP、TCP、UDP、DHCP，可以向

用戶提供透明的UART和SPI數(shù)據(jù)傳輸。在透明數(shù)據(jù)傳輸模式下，當(dāng)模塊啟動后，

用戶可以像使用傳統(tǒng)UART和SPI那樣進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模塊會將用戶數(shù)據(jù)封裝成

數(shù)據(jù)幀，并通過WLAN傳送給遠(yuǎn)程的客戶端［4］。

圖1所示為運(yùn)用EMB－380C構(gòu)成的通信系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)首先由微控制器完成

數(shù)據(jù)采集，然后將狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至WiFi模塊中，模塊再以無線方式將信息發(fā)送給

帶無線網(wǎng)卡的PC機(jī)。

圖1無線通信系統(tǒng)示意圖

2.2接口原理圖設(shè)計

該接口系統(tǒng)采用SPI全雙工通信模式，在STM32的SPl1以及WiFi模塊上的SPI

口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。STM32微控制器是數(shù)據(jù)的發(fā)送源，所以，將其配置為主

設(shè)備，EM380模塊則配置為從設(shè)備。

在SPI全雙工通信模式下，須將主從設(shè)備的SPI口中的SCK、MISO、MOSI引腳

互聯(lián);另外，主設(shè)備的NSS控制采用的是軟件控制模式，而WiFi模塊的NSS引腳

則通過PA4口控制其從模式選擇，實際功能相當(dāng)于該模塊的片選。圖2所示為該

系統(tǒng)的接口原理圖，其中J1和J2為WiFi模塊的兩排引腳。

圖2接口設(shè)計原理圖

2.3主控板設(shè)計

主控板選擇ZedBoard，它是基于XilinxZynqTM－7000擴(kuò)展式處理平臺(EPP)

的低成本開發(fā)板。此板可以運(yùn)行基于Linux，Android，Windows?或其他

OS/RTOS的設(shè)計。此外，可擴(kuò)展接口使得用戶可以方便訪問處理系統(tǒng)和可編程邏

輯［5］。Zynq－7000EPP將ARM?處理系統(tǒng)和與Xilinx7系列可編程邏輯完

美地結(jié)合在一起，可以創(chuàng)建獨(dú)特而強(qiáng)大的設(shè)計。

2.4電機(jī)控制電路設(shè)計

電機(jī)控制電路選擇LM298，LM298內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路。－－

L298，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動電路，可驅(qū)動2路直流電機(jī)，也可以驅(qū)動兩相步進(jìn)電機(jī)，

標(biāo)配2A驅(qū)動電流，全新進(jìn)口SMT封裝，性能大大優(yōu)于國產(chǎn)插件封裝L298，價格

也貴得多。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.5～7V電壓。

4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為+2.5～46V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)

動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，

形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4

之間可分別接電動機(jī)，本項目裝置選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入

控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

2.5接口資源和特點分析

基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的智能識別機(jī)器人在硬件設(shè)計上有多個接口以達(dá)到智能化要求，

其中的接口主要有電機(jī)輸出接口，用來標(biāo)配驅(qū)動2路直流電機(jī)(也可用并聯(lián)方式驅(qū)

動4路小電流電機(jī))，可選驅(qū)動步進(jìn)電機(jī);電機(jī)擴(kuò)展邏輯控制接口，用于控制外接大

功率電機(jī)底盤(如大腳電機(jī));共有5路舵機(jī)驅(qū)動接口(可以擴(kuò)展至8路)，還有1個舵

機(jī)擴(kuò)展邏輯控制接口組，用于控制外接超大功率舵機(jī);本設(shè)計中有3路紅外避障接

口，通過紅外線探測前方是否有障礙物，如發(fā)現(xiàn)障礙，根據(jù)軟件設(shè)計中的避障算法

規(guī)劃最短路徑。

其他接口還涉及TTL排針串口、紅外一體化接收頭、4路預(yù)留接口(可接溫度傳感

器、超聲波模塊、I2C接口的FM模塊等)、USB接口(完美適配703等無線路由，

集5V供電和TTL串口于一體，也可以外接串口模塊，如指紋模塊等)、最大輸出

500mA電流驅(qū)動接口(可以接紅外發(fā)射頭.蜂鳴器.強(qiáng)光二極管，繼電器等)、直流電

源輸入接口(7－15V范圍輸入)、5V電壓輸出接口(標(biāo)配1A電流)、電機(jī)驅(qū)動電壓

選擇跳線開關(guān)(可選6V/9V/12V輸出)。

該設(shè)計中使用的電源為8A工作電流，具有超強(qiáng)可靠性，另配有6組高亮LED運(yùn)

行指示燈。關(guān)鍵邏輯部分均使用光耦進(jìn)行隔離，極大地提高了穩(wěn)定性。

3結(jié)束語

當(dāng)前，機(jī)器人研究方興未艾，基于WiFi的機(jī)器人解決方案成為研究中的又一個熱

點。通過對WiFi模塊遙控機(jī)器人的理論研究和實際安裝與調(diào)試，進(jìn)一步明確了接

口設(shè)計及軟件編程，實現(xiàn)云媒體流下的機(jī)器人自主運(yùn)動。

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