何偉宏，賴勝南，張澤滔

（中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東廣州510970）

隨著世界各國(guó)人力成本的大幅提高，當(dāng)今各行業(yè)應(yīng)用機(jī)器人的需求從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域到空間探索搜救、健康醫(yī)療康復(fù)、環(huán)境智能監(jiān)控領(lǐng)域都在迅速增長(zhǎng)[1-3]。機(jī)器人技術(shù)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、高新技術(shù)之一，是未來(lái)工業(yè)智能制造發(fā)展的方向，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

傳統(tǒng)的機(jī)器人已經(jīng)解決自身的定位和行進(jìn)問題，對(duì)于機(jī)器人間的協(xié)同作業(yè)、機(jī)器人的人機(jī)交互、機(jī)器人通過多傳感器對(duì)外部環(huán)境感知的海量信息的有效處理和傳輸?shù)葐栴}已成為研究的熱點(diǎn)。文中基于云技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)和用戶關(guān)鍵信息多傳感器數(shù)據(jù)采集方法，對(duì)多參數(shù)感知機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)際測(cè)試機(jī)器人尋跡定位導(dǎo)航、環(huán)境感知預(yù)警、數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、無(wú)線通信控制等功能，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

1 感知機(jī)器人架構(gòu)

傳統(tǒng)機(jī)器人往往只能依靠固定編程及機(jī)械完成特定的任務(wù)，借助于人類處理過的信息，完成精確指令和任務(wù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，借助于互聯(lián)網(wǎng)[4]、云計(jì)算[5]、對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)端控制監(jiān)控、實(shí)時(shí)信息反饋?；谠萍夹g(shù)的機(jī)器人更加小型化，能有效降低成本，幫助機(jī)器人提高自學(xué)能力、適應(yīng)能力，推動(dòng)其較快的大規(guī)模普及應(yīng)用[6]?；谠萍夹g(shù)的機(jī)器人能提高其對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，必將成為機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[7]。

感知機(jī)器人系統(tǒng)云架構(gòu)[8]由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云技術(shù)層和應(yīng)用層4個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)云架構(gòu)示意圖

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層（Application Layer）位于本系統(tǒng)四層結(jié)構(gòu)中的最頂層，其功能主要為交互[9]。應(yīng)用層與最底端的感知層一起，是系統(tǒng)中的用戶能直觀感受的部分和核心所在。

文中應(yīng)用層一般由移動(dòng)終端、調(diào)度中心、管理軟件等組成。通過應(yīng)用層軟件將獲取到的信息可視化，為用戶提供直觀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警信息顯示，提供遠(yuǎn)程控制指令信息，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)交互。

1.2 云技術(shù)層

云技術(shù)（Cloud technology）是指在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)將軟硬件、通信網(wǎng)絡(luò)等資源統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算儲(chǔ)存、分析處理和交流共享的一種托管技術(shù)。其重要支撐是云計(jì)算[10]（Cloud Computing）技術(shù)，云計(jì)算結(jié)合網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)和虛擬化技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)提供方便快捷的計(jì)算資源[11]。

云計(jì)算為本系統(tǒng)提供了一種轉(zhuǎn)移并減少機(jī)器人運(yùn)算壓力，減低計(jì)算成本的模式，使本系統(tǒng)在軟硬件開發(fā)時(shí)屏蔽掉了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等流程，通過訪問云服務(wù)器用戶可以相對(duì)安全且快速獲得機(jī)器人系統(tǒng)感知到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)[12]。

本系統(tǒng)中云技術(shù)層可以對(duì)感知層采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算存儲(chǔ)、分析處理和知識(shí)挖掘以供應(yīng)用層隨時(shí)隨地的調(diào)用。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的傳輸，把感知層感知到的數(shù)據(jù)安全可靠、方便快速地進(jìn)行傳送，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)與云服務(wù)器、移動(dòng)端的連接。網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）所涉及技術(shù)主要有蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)3類。

1.4 感知層

感知層是本系統(tǒng)的核心，是環(huán)境信息采集的關(guān)鍵部分。感知層也稱為傳感層，包括基本的感應(yīng)器件如攝像頭、GPS、RFID標(biāo)簽和讀寫器、二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器等傳感器件，由感應(yīng)器組成的網(wǎng)絡(luò)如RFID網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等兩大類別。主要涉及到射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、二維碼技術(shù)。

2 感知機(jī)器人系統(tǒng)配置與模塊設(shè)計(jì)

2.1 感知機(jī)器人系統(tǒng)硬件配置

多參數(shù)感知機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)、環(huán)境參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)的處理和傳送功能，硬件系統(tǒng)包括核心處理器、電源模塊、環(huán)境感知模塊、通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 感知機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 核心處理模塊

文中核心處理器選擇了Arduino Mega2560。Arduino Mega2560是采用USB接口的AVR系列處理器集成板具有16路模擬接口、54路數(shù)字接口，適用于本系統(tǒng)中多模塊、多傳感器對(duì)核心處理器外設(shè)資源豐富的要求，它也能兼容Arduino設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板，并且它的外設(shè)資源較為豐富，能滿足多參數(shù)感知機(jī)器人各模塊和大量傳感器對(duì)接口的需求。

2.3 多電壓電源模塊

多電壓電源模塊由4節(jié)蓄電池提供系統(tǒng)總電源，系統(tǒng)主板、核心處理器電壓通過AMS1117穩(wěn)壓芯片[13]提供5 V電壓，升壓部分由XL6009芯片和外圍電路組成，為系統(tǒng)電機(jī)、移動(dòng)模塊提供穩(wěn)定的9 V電壓，降壓部分由穩(wěn)壓芯片LP2985構(gòu)成，提供部分傳感器需求的3.3 V電壓。本系統(tǒng)多電壓電源模塊電路如圖3所示。

2.4 多傳感器模塊

圖3 多電壓電源模塊電路圖

在多參數(shù)的感知機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，需要使用大量的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，這些傳感器可以分為兩個(gè)類別，一類是對(duì)移動(dòng)機(jī)器人本身的數(shù)據(jù)采集，被稱為內(nèi)部傳感器，如GPS、陀螺儀、加速度傳感器等；另一類是對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集，也被稱為外傳感器，如紅外線傳感器、超聲波傳感器等[14]，部分傳感器選型如表1所示。

表1 傳感器選型

2.5 通信模塊

本系統(tǒng)通信模塊采用的是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中覆蓋范圍廣、速度快，可靠性高的移動(dòng)WiFi技術(shù)[15]。文中采用無(wú)線通信WiFi模塊MW151RM對(duì)機(jī)器人與手機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。

無(wú)線通信WiFi模塊和核心處理器的通信主要利用了WiFi模塊的串口（VCC、RX、TX、GND），無(wú)線通信WiFi模塊的作用是將串口轉(zhuǎn)化成無(wú)線WiFi信號(hào)。

2.6 運(yùn)動(dòng)控制模塊

2.6.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊方案

本文的感知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)模式分別是GPS導(dǎo)航模式和預(yù)定軌道尋跡模式。GPS導(dǎo)航模式中，通過給定目的地的經(jīng)緯度，要求機(jī)器人能夠根據(jù)自身位置規(guī)劃最佳路徑，平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)到目的地。預(yù)定軌道尋跡模式，要求機(jī)器人能夠按照提前預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)行，當(dāng)預(yù)設(shè)運(yùn)行軌跡上存在障礙物時(shí)，要求機(jī)器人提前判斷預(yù)警，停止前進(jìn)等待指令或另找路線繼續(xù)前進(jìn)。

2.6.2 電機(jī)控制方案

本系統(tǒng)采用差分式的履帶輪式機(jī)構(gòu)[16]，通過核心處理器輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，通過兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。本系統(tǒng)采用L293DD組成雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。

3 感知機(jī)器人軟件系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)如圖4所示，分為5個(gè)部分：主程序部分、傳感器模塊程序、移動(dòng)控制模塊程序、通信模塊程序和移動(dòng)端程序。

圖4 機(jī)器人系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

3.2 移動(dòng)端程序設(shè)計(jì)

3.2.1 移動(dòng)端總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1）多參數(shù)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 移動(dòng)端總體架構(gòu)圖

2）視頻監(jiān)控:多參數(shù)機(jī)器人攝像頭通過WiFi數(shù)傳模塊傳送數(shù)據(jù)，移動(dòng)APP后臺(tái)接收并處理圖像后，視頻監(jiān)控圖像在移動(dòng)APP上顯示。

3）遠(yuǎn)程智能控制：通過移動(dòng)客戶端發(fā)送控制指令，多參數(shù)感知機(jī)器人執(zhí)行控制指令[17]。

3.2.2 具體功能設(shè)計(jì)

1）GPS定位及機(jī)器人位置顯示

用戶通過移動(dòng)端獲知機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置，然后通過GPS模塊[18]或者WIFI模塊把經(jīng)緯度發(fā)送到云端或者移動(dòng)客戶端，移動(dòng)客戶端通過解析經(jīng)緯度把機(jī)器人實(shí)時(shí)位置顯示到高德地圖上。

2）環(huán)境數(shù)據(jù)圖形化處理

文中移動(dòng)端APP中主要通過構(gòu)造坐標(biāo)系的方法和在坐標(biāo)系中畫折線圖的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化的。

3）多參數(shù)智能預(yù)警

本系統(tǒng)移動(dòng)端針對(duì)用戶關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能預(yù)警，通過移動(dòng)端設(shè)置用戶興趣傳感器的預(yù)警閾值，當(dāng)感知機(jī)器人所傳回該傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，移動(dòng)端發(fā)出聲音震動(dòng)、提示界面的預(yù)警動(dòng)作。

4 感知機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)

4.1 功能測(cè)試

該綜合實(shí)驗(yàn)選用履帶式的移動(dòng)機(jī)器人wi-robot作為多參數(shù)感知平臺(tái)，機(jī)器人本體上安裝了通信模塊、傳感器模塊以及攝像頭，這些模塊用于機(jī)器人與云服務(wù)器和移動(dòng)端的無(wú)線通信通知[19]、遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警，機(jī)器人定位導(dǎo)航、循跡避障；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像獲取，環(huán)境數(shù)據(jù)感知獲取。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透兄獧C(jī)器人如圖6所示。

圖6 感知機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.1.1 環(huán)境感知

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的環(huán)境感知參數(shù)有機(jī)器人周圍空氣溫濕度、空氣中可燃?xì)怏w濃度值、空氣中PM2.5值、紫外線強(qiáng)度值、機(jī)器人涉水水位值，空間環(huán)境生命體征探測(cè)等。

多參數(shù)感知機(jī)器人系統(tǒng)中的GPS模塊工作實(shí)現(xiàn)定位，通過WIFI模塊把機(jī)器人當(dāng)前經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器或者移動(dòng)客戶端，移動(dòng)客戶端通過云服務(wù)器或機(jī)器人發(fā)送來(lái)的經(jīng)緯度把位置顯示到高德地圖上。

4.1.2 無(wú)線控制

無(wú)線控制實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和視頻監(jiān)控，通過TCP/IP協(xié)議向機(jī)器人發(fā)送控制指令，當(dāng)移動(dòng)端APP相應(yīng)控制指令按鈕觸發(fā)時(shí)，即刻啟動(dòng)SocketThread線程鏈接并發(fā)送相應(yīng)控制指令，機(jī)器人系統(tǒng)通過WiFi模塊接收到指令，執(zhí)行指令動(dòng)作；機(jī)器人攝像頭實(shí)時(shí)捕捉當(dāng)前畫面，通過無(wú)線通信實(shí)時(shí)傳回感知畫面到移動(dòng)端供用戶查看。

4.1.3 云架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人系統(tǒng)采集到的環(huán)境參數(shù)通過WIFI模塊上傳到中國(guó)移動(dòng)提供的開放云平臺(tái)OneNET實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算。本系統(tǒng)應(yīng)用OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.2 性能測(cè)試

4.2.1 通信距離

發(fā)射端采用MW151RM無(wú)線WiFi發(fā)射模塊，接收端和分析采用在手提電腦運(yùn)行WiFitester3.0通信測(cè)試軟件。在空曠場(chǎng)地，在0 dBm發(fā)射功率下，測(cè)試本系統(tǒng)采用的MW151RM無(wú)線WiFi發(fā)射模塊在不同通信距離下接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）和丟包率之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。機(jī)器人距離用戶端60 m內(nèi)接受信號(hào)強(qiáng)度[20]高于-90 dBm，丟包率小于10%，滿足通信監(jiān)測(cè)要求。

圖7 信號(hào)強(qiáng)度及丟包率與通信距離關(guān)系圖

4.2.2 系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間

在空曠場(chǎng)地，在0 dBm發(fā)射功率下，測(cè)試本系統(tǒng)采用的MW151RM無(wú)線WiFi發(fā)射模塊在不同通信距離下感知機(jī)器人接收到移動(dòng)端控制信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。

5 結(jié)論

圖8 在不同距離下感知機(jī)器人反應(yīng)時(shí)間

文中以多參數(shù)感知機(jī)器人為研究平臺(tái)，基于云技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)和用戶關(guān)鍵信息多傳感器數(shù)據(jù)采集方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)多參數(shù)感知機(jī)器人基于云技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，以減少機(jī)器人計(jì)算壓力、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載，對(duì)多參數(shù)感知機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)際測(cè)試機(jī)器人尋跡定位導(dǎo)航、環(huán)境感知預(yù)警、數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、無(wú)線通信控制等功能，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。無(wú)線通信性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，感知機(jī)器人無(wú)線通信距離60 m內(nèi)具有良好的通信質(zhì)量和響應(yīng)速度。

然而，由于研究時(shí)間與掌握知識(shí)的局限性，本人認(rèn)為本文的研究?jī)?nèi)容還有幾個(gè)方面還需要解決：

1）由于本系統(tǒng)云架構(gòu)中云服務(wù)器選擇的局限性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人感知數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)，尚未達(dá)到數(shù)據(jù)云端計(jì)算、數(shù)據(jù)有效融合的功能。因此，云服務(wù)器功能需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2）由于硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在進(jìn)行系統(tǒng)集成時(shí)模塊之間難免存在兼容性的問題，各傳感器模塊還受到模塊電信號(hào)的影響，如何更好的進(jìn)行硬件系統(tǒng)集成減少模塊間信號(hào)的干擾也是一個(gè)值得關(guān)注的問題。