程昭勛 黎煒桁 吳 萌 馮譯萱 陳紫楊 張?jiān)孪?/p>

（北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

1 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能手機(jī)也在人們的生活中逐漸普及。與此同時(shí)，人們對(duì)機(jī)器人等高科技產(chǎn)品的控制器要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制器，比如遙控器，其大小以及兼容性問(wèn)題的存在導(dǎo)致其無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)機(jī)器人控制的需求。目前，Android智能手機(jī)已經(jīng)成為人們最常用的通訊工具，如果能利用Android手機(jī)解決對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制問(wèn)題，將大大提高機(jī)器人控制的便利性并拓展其應(yīng)用范圍[1-4]。

目前，人們主要通過(guò)與機(jī)器人配套的遙控器來(lái)控制機(jī)器人，一些國(guó)外文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制軟件中增加了視頻采集與傳輸[5]、機(jī)械臂控制[5]與模式切換[6]等功能。以上研究提出的實(shí)用性很高，都有現(xiàn)實(shí)意義。在國(guó)內(nèi)，移動(dòng)終端上也有一些控制機(jī)器人的APP軟件，如Robot Control、RoboSpace、黑盒機(jī)器人等。這類(lèi)機(jī)器人種類(lèi)繁多且功能強(qiáng)大。但國(guó)外軟件的一些功能與接口被刪減，數(shù)據(jù)更新不及時(shí)，并且這類(lèi)APP代碼較為冗長(zhǎng)，無(wú)法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，不便于軟件的改進(jìn)。而國(guó)內(nèi)的軟件用戶(hù)操作形式比較單一，在對(duì)機(jī)器人的操控多為手動(dòng)模式，APP中沒(méi)有提供給用戶(hù)更多的選擇?；谝陨锨闆r，本文做出了一些改進(jìn)。

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的家居搬運(yùn)機(jī)器人的全新理念并設(shè)計(jì)了基于Android的手機(jī)APP。該APP包括視頻傳輸、運(yùn)動(dòng)控制、模式切換、機(jī)械臂控制和參數(shù)設(shè)置等功能。經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試，軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，并且擁有易于使用、能夠?qū)τ谔囟ㄐ枨筮M(jìn)行二次開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)，具有較大的應(yīng)用潛力。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該Android APP由包括視頻傳輸模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊，模式切換模塊，機(jī)械臂控制模塊，參數(shù)設(shè)置模塊組成。如圖1所示。

圖1 功能框圖

進(jìn)入開(kāi)始界面后，先對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化，如視頻控制IP，視頻控制端口，并可以對(duì)機(jī)器人以及云臺(tái)的初始位置進(jìn)行設(shè)定。

而后進(jìn)入視頻采集及動(dòng)作控制界面，此界面中包含模式切換選項(xiàng)，提供巡線尋跡，超聲波、紅外避障，跟隨主人功能。用戶(hù)做出指令，若需采集視頻則進(jìn)入視頻采集模塊，并對(duì)采集好的視頻進(jìn)行解析，顯示在視頻播放器中，同時(shí)用戶(hù)可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作控制。若用戶(hù)不需采集視頻則可以直接對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作控制。系統(tǒng)流程圖，如圖2所示。

使用java語(yǔ)言在eclipse編譯平臺(tái)上對(duì)Android APP進(jìn)行開(kāi)發(fā)、測(cè)試。

圖2 軟件流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 視頻功能

在APP對(duì)家居搬運(yùn)機(jī)器人傳輸視頻的控制模塊中，代碼分別存放在以下三個(gè)不同文件中，即MyMainFrm.java、MyVideo.java和MySurface View.java。下面針對(duì)三個(gè)不同文件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

MyMainFrm.java是主頁(yè)面，用戶(hù)在其中設(shè)置視頻控制地址以及控制端口。

MyVideo.java文件是用來(lái)顯示視頻的，是一個(gè)可見(jiàn)的界面文件。

MySurfaceView.java文件中的代碼可以用來(lái)解析從wifi模塊傳回的視頻，是一個(gè)播放器窗口。MySurfaceView.java文件嵌入到MyVideo.java文件之中，共同完成APP中對(duì)機(jī)器人傳回視頻的播放與控制功能，并在主頁(yè)面MyMainFrm.java中顯示。

具體地，在MyMainFrm.java中用變量videoUrl，control-Url和port獲取wifi機(jī)器人的控制界面中用戶(hù)在文本框中輸入的視頻地址，控制地址以及端口。并利用insert將剛剛獲取的數(shù)據(jù)作為新定義的intent的參數(shù)。wifi智能機(jī)器人中運(yùn)行著一個(gè)視頻推流服務(wù)器mjpg-streamer，當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，在MyVideo.java中啟動(dòng)了線程，執(zhí)行HTTPURL.connection請(qǐng)求指令，wifi模塊就會(huì)開(kāi)始采集usb攝像頭采集到的視頻，并通過(guò)HTTP端口號(hào)為8080反饋回Android控制端。

視頻的解碼部分，用read記錄傳回視頻流的長(zhǎng)度并按位解碼。首先找到視頻流，返回的視頻流的開(kāi)頭為Content-Length，用它作為判定條件按位解析找到視頻流。視頻格式為mjpeg，此格式一幀以0xFF 0xD8開(kāi)頭，以0xFF 0xD9結(jié)尾，程序找到視頻的包頭和包尾并將之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成JPEG格式，也就是一幀的圖像。通過(guò)線程的循環(huán)不斷地獲取就能成為視頻流。

接著decodestream函數(shù)進(jìn)行解碼產(chǎn)生bitmap bmp一幀的數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行顯示，用函數(shù)調(diào)整長(zhǎng)寬高，將一幀的數(shù)據(jù)放進(jìn)canvas畫(huà)布上并用unlockCanvasAndPost解鎖畫(huà)布并顯示出來(lái)[7]。

最終，不停地通過(guò)while循環(huán)獲取視頻流，一幀一幀的視頻流疊加在一起，對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)就是一個(gè)完整的視頻。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制功能

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能部分主要在MyVideo.java文件中。在這之前，先從MyMainFrm.java中獲取到機(jī)器人的控制端口與IP地址，通過(guò)button_go的按鈕跳轉(zhuǎn)到MyVideo.java文件，通過(guò)文件中的代碼對(duì)機(jī)器人進(jìn)行前、后、左、右、停的運(yùn)動(dòng)控制。初始化中，在初始化定義的全局變量socket中設(shè)置機(jī)器人的IP和wifi這兩個(gè)端口，將此變量作為命令傳輸?shù)妮d體。接著利用MyVideo.java文件中定義的socketwriter輸出流函數(shù)發(fā)出指令。最后，利用OnClickListener函數(shù)進(jìn)行單擊監(jiān)聽(tīng)，即在APP中按下按鈕后轉(zhuǎn)到相應(yīng)代碼進(jìn)行響應(yīng)。

下面以前進(jìn)為例：當(dāng)用戶(hù)按下前進(jìn)按鈕，socketWriter向機(jī)器人發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，用控制命令(byte)0xff，(byte)0x00，(by te)0x01，(byte)0x00，(byte)0xff}使機(jī)器人前進(jìn)，執(zhí)行完畢后用 socketWriter.flush()函數(shù)清除緩存[9，10]。

考慮到通信可能存在異常情況無(wú)法正常使用，使用try和catch語(yǔ)句捕獲并處理異常[8]。

3.3 模式切換功能

機(jī)器人內(nèi)置了“巡線遁跡”、“超聲波避障”、“紅外避障”、“跟隨主人”、“手動(dòng)模式”等功能的切換菜單，其中“巡線遁跡”、“超聲波避障”、“紅外避障”、“跟隨主人”模式為自動(dòng)模式，用戶(hù)在APP端發(fā)送指令后機(jī)器人端利用AR9331WIFI模塊接收指令，并調(diào)用各個(gè)傳感器與舵機(jī)聯(lián)動(dòng)執(zhí)行。手動(dòng)模式則可以切換至用戶(hù)自行控制。

針對(duì)可能遇見(jiàn)的較為復(fù)雜的環(huán)境，在設(shè)計(jì)此功能時(shí)，將其設(shè)計(jì)為手動(dòng)模式優(yōu)先級(jí)最高，因此在自動(dòng)模式下，用戶(hù)無(wú)需等待機(jī)器人的所有動(dòng)作全部完成，即可切換至手動(dòng)模式。提高了機(jī)器人控制時(shí)的穩(wěn)定性，也可避免用戶(hù)在對(duì)機(jī)器人添加更多傳感器，對(duì)各個(gè)自動(dòng)功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)測(cè)試造成的麻煩。

3.4 機(jī)械臂控制功能

機(jī)械臂控制功能與運(yùn)動(dòng)控制功能類(lèi)似，wifi機(jī)器人中運(yùn)行著ComToNet程序，它的目的在于把網(wǎng)口傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口。由于程序默認(rèn)開(kāi)放的端口為2001，故控制端默認(rèn)端口也為2001。

與運(yùn)動(dòng)控制相同，利用socket作為載體，用socketwrite來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。而與運(yùn)動(dòng)控制不同的就是傳輸協(xié)議，如表1所示。

表1 傳輸協(xié)議代碼

3.5 參數(shù)設(shè)置功能

對(duì)于視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)、視頻地址、控制地址以及端口的設(shè)置部分，利用EditText窗口，由用戶(hù)自行輸入，而其他常量在constant.java中設(shè)置。

對(duì)于數(shù)據(jù)的輸入利用圖形化控件進(jìn)行控制，如按鈕和滾動(dòng)條等。而為了使其與軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用監(jiān)聽(tīng)函數(shù)，使程序在用戶(hù)改變了控件參數(shù)后機(jī)器人能夠響應(yīng)[11]。

4 軟件測(cè)試

根據(jù)wifi智能機(jī)器人小車(chē)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，利用Android平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的功能。

4.1 主界面測(cè)試

進(jìn)入APP后可以成功進(jìn)入主界面，各控件能夠正常顯示，如圖3所示，并有軟件更新提示。

圖3 APP主頁(yè)面

4.2 視頻采集顯示以及動(dòng)作控制測(cè)試

進(jìn)入主頁(yè)面后點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，順利進(jìn)入視頻采集顯示以及動(dòng)作控制界面，并能夠使用搖桿對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，360度有效，并能夠同時(shí)使用圖形化控件對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行控制，如圖4所示。

圖4 視頻采集及運(yùn)動(dòng)控制界面

4.3 模式切換界面測(cè)試

在視頻采集界面中進(jìn)行模式切換，即可對(duì)機(jī)器人的控制模式進(jìn)行切換，巡線尋跡功能，超聲波、紅外避障功能，跟隨主人功能以及手動(dòng)控制功能均可實(shí)現(xiàn)，且精度較高，如圖5所示。

圖5 模式切換界面

4.4 參數(shù)設(shè)置測(cè)試

進(jìn)入主界面后，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕可對(duì)機(jī)器人的初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如關(guān)鍵參數(shù)視頻控制IP，視頻控制端口，并可以對(duì)機(jī)器人初始位置以及云臺(tái)坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，如圖6所示。

圖6 初值設(shè)置界面

5 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于Android開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，整個(gè)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的家居搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行控制。該家居搬運(yùn)機(jī)器人通過(guò)單片機(jī)連接各個(gè)模塊，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及手機(jī)APP對(duì)其進(jìn)行控制。最終達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)軟件測(cè)試，該APP可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，且易于使用，能夠?qū)τ谔囟ㄐ枨筮M(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，具有較大的應(yīng)用潛力。

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