夏永鋒

0 引言

機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。就目前的機(jī)器人技術(shù)水平而言，單機(jī)器人在信息的獲取，處理及控制能力等方面都是很有限的。研究者則考慮由多個(gè)機(jī)器人組成的群體系統(tǒng)通過協(xié)作來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。然而，目前群體機(jī)器人的理論技術(shù)還很難實(shí)現(xiàn)一種全自主式的群體機(jī)器人系統(tǒng)，一定的人為介入是極為必要的，以協(xié)助群體機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能初始化，故障恢復(fù)以及應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境等。

從1993年水星計(jì)劃[3]開始研究人員將萬維網(wǎng)應(yīng)用于機(jī)器人控制，到現(xiàn)在將云計(jì)算、Web Service等新技術(shù)與機(jī)器人控制相結(jié)合[1][2],研究方向覆蓋新型的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]、機(jī)器人群體控制無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化[5]等方面，表明機(jī)器人控制技術(shù)研究熱點(diǎn)正逐步從單機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)器人群體，并始終與最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合。

基于 Web 的遠(yuǎn)程控制技術(shù)打破了傳統(tǒng)控制技術(shù)空間距離上的限制，依托因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使得人們能夠隨時(shí)隨地地訪問機(jī)器人系統(tǒng)，并且可以在任何平臺下被訪問，只需該平臺下裝有合適的 Web 瀏覽器。另外，以Web Server為中心，降低了維護(hù)費(fèi)用，對系統(tǒng)的修改只需在 Web Server上進(jìn)行，無需在客戶端做任何修改，從而提高系統(tǒng)隨著需求的變更快速更新的能力。

1 系統(tǒng)功能與體系結(jié)構(gòu)

1.1 總體功能設(shè)計(jì)

作為機(jī)器人控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)將控制分為3個(gè)層次：基本控制、精確控制、批量指令控制。3個(gè)層次的控制分別對應(yīng)不同的控制需求。

基本控制部分將基本控制操作抽象為圖標(biāo)，只要點(diǎn)擊圖標(biāo)就能完成相應(yīng)的控制操作?；究刂撇僮鞯膶ο笫侨后w機(jī)器人中的所有成員，功能包含：查詢-獲取機(jī)器人的電量，當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度等信息，運(yùn)動(dòng)、向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止- 控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)方向，計(jì)數(shù) – 統(tǒng)計(jì)群體機(jī)器人的數(shù)量以及編號。

精確控制部分根據(jù)目標(biāo)對象分為群體與單個(gè)兩部分，兩者的區(qū)別在于單個(gè)需要用戶選擇具體的單個(gè)機(jī)器人編號，兩者都可以選擇具體指令和特定指令的參數(shù)。

批量指令控制部分允許用戶編寫簡單的程序，然后提交到server，由server來解釋程序，轉(zhuǎn)換成控制指令序列發(fā)送到機(jī)器人。批量指令的目的是為了提高控制的效率，減少用戶的操作工作量。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Web的應(yīng)用通常都是Browser/Server模式。Browser端和Server端作為相互獨(dú)立的兩個(gè)部分通過HTTP協(xié)議進(jìn)行通信，其過程分為4步：建立連接，發(fā)送請求，發(fā)送應(yīng)答和關(guān)閉連接。整個(gè)過程是個(gè)請求/應(yīng)答的模式，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

基于Web的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，Server是一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，Browser發(fā)起的數(shù)據(jù)請求最終需要作用于機(jī)器人。除了Browser與Server之間的交互，還有Server與機(jī)器人之間的交互。

本系統(tǒng)中 Server部分起到核心作用，負(fù)責(zé)接收來自用戶Browser的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換預(yù)處理，特別是對于批量指令數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行程序的解釋，生成控制指令序列，然后將經(jīng)過處理的指令數(shù)據(jù)寫到某個(gè)串口，該串口上通過USB連接著一個(gè)無線模塊，機(jī)器人上使用的是相同的無線模塊，在Server寫入串口的數(shù)據(jù)量達(dá)到32字節(jié)后，無線模塊就將數(shù)據(jù)廣播出去，機(jī)器人上的無限模塊接收到數(shù)據(jù)，發(fā)出中斷信號，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，機(jī)器人應(yīng)用程序從緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 指令編碼

為了減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，減小機(jī)器人對于控制指令的解析工作，以及簡化Web Server將批量指令程序轉(zhuǎn)化成控制指令序列，需要對控制指令進(jìn)行編碼。

由于無線模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)為32個(gè)字節(jié)，僅當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，才會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)未滿32字節(jié)，那么超過100ms后會(huì)被自動(dòng)清除，所以將控制指令編碼的長度設(shè)為32字節(jié)。

根據(jù)總體功能設(shè)計(jì)，指令中的信息應(yīng)包括小車編號，指令類型，指令參數(shù)3個(gè)部分。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，對指令增加版本號信息。32字節(jié)編碼的每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè) char類型數(shù)據(jù)。由于目前機(jī)器人數(shù)量以及指令數(shù)目都較少，每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)char類型字符數(shù)據(jù)可以滿足需求。

第1，2字節(jié)存儲(chǔ)小車編號，第1字節(jié)為小車編號的十位數(shù)字的字符，第2字節(jié)為個(gè)位數(shù)字的字符，例如：小車的編號為12，則第1，2字節(jié)分別為’1’，’2’，小車的編號未超過10時(shí)，則第1字節(jié)為’0’。

第3，4字節(jié)為指令的編號，存儲(chǔ)方式與小車編號一致。對于控制指令的編號如：查詢 - 'info': '1', 運(yùn)動(dòng) - 'run': '2',向前 - 'forward': '3', 向后 - 'backward': '4', 左轉(zhuǎn) - 'turnleft':'5', 右轉(zhuǎn) - 'turnright': '6', 停止 - 'stop': '7', 計(jì)數(shù) - 'count': '8'。

第 5，6，7字節(jié)為指令的參數(shù)，參數(shù)主要是指運(yùn)動(dòng)，向前，向后，停止四個(gè)指令可搭配時(shí)間或者距離參數(shù)。

第8，9，10，11字節(jié)依次存儲(chǔ)版本號的千，百，十，個(gè)位。余下的所有字節(jié)置為’