引言

隨著科學技術的快速發展，機器人已經漸漸步入人們的實際生活之中，本設計所研究的遙控搬運機器人是眾多機器人中的一種。搬運機器人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，這種機器人操控范圍較小，并且需要特定的控制器。本設計主要研究基于WFi網絡的無線遙控搬運機器人，利用WiFi網絡可以實現實時視頻圖像采集，以及機器人上的傳感器數據采集。采用WiFi網絡通信使得控制端多樣化，可用手機、電腦等具備WiFi功能的設備進行控制。此外，還可將機器人接入Internet來實現更遠距離的控制。

1 總體設計

本設計服務器端采用移植了Linux操作系統的S3C6410，通過完成底層驅動的移植和編寫，實現對硬件的控制，其次移植了MJPGstreamer服務器和BOA服務器等實現圖像數據、控制信息的傳輸。客戶端方面分別編寫了WEB版和Android版應用程序。系統功能框圖如圖1所示。

2 硬件設計

(1)MCU

本設計的主控器采用友善之臂公司的一款核心板，其主芯片S3C6410是三星公司基于ARM1176JZF—S核設計的嵌入式處理器。該核心板配置了256 MB DDR RAM，并且主頻為533 MHz，最高主頻可以達到667 MHz。通過將Linux操作系統移植到該核心板上來完成對硬件的管理與客戶端提供數據交換，響應客戶端的命令控制。

(2)伺服電機

采用的伺服電機為微型伺服馬達(又稱作舵機)，主要應用于模型的動作控制，通過脈寬調制可以對其進行比較精確的控制。本設計采用TOROBOT公司生產的TR213舵機，其動態扭矩可以達到13 kg·cm，轉角范圍為180°，控制精度達到0.5°，工作電壓為4.8～7.2 V，其性能能夠滿足本設計的基本要求，所以選用兩個TR213配合夾持器完成物體的夾持工作。

(3)直流電機

直流電機用于控制機器人移動，本設計采用帶齒輪箱的直流電機，其減速比為1：120，工作電壓為3～12 V左右，7.2 V電壓下轉速達120 r/min，4個直流電機配合車體，最大負載可達到2 kg。

(4)WiFi網卡

無線網卡采用USB接口的必聯(B—LINK)BL—LW05-AR5無線網卡，其主芯片為RTL8188，并且外置了5 DBI的高增益天線，傳輸速度最高可達150 Mbps，實際傳輸距離較遠，并且支持AP模式。本設計通過移植該網卡的驅動、Hostapd以及DHCP讓機器人作為AP熱點供無線設備進行連接控制。

(5)攝像頭

攝像頭采用中星微ZC301P，USB接口，像素高達130萬，擁有6 mm的五玻鏡頭，62°視角，并且具有自動亮度、自動白平衡、伽馬校正功能。本設計中使用這款攝像頭來完成機器人前方視頻數據采集。

(6)壓力傳感器

為了采集機器人夾持器的壓力數據，本設計采用了FSR402薄膜壓力傳感器。該傳感器受力后會導致電阻變小，根據電阻值的變化可以得到壓力的變化，其允許的壓力范圍為100 g～10 kg，并且傳感器受力區域的直徑達1.27 cm。

(7)直流電源

為了完成物體的夾持、搬運、擺放工作，機器人帶有4路直流電機、2路伺服電機，耗電量較大，且負載時電流較大。為了使其能穩定正常工作，本設計選用了一款15C的航模電池，其容量為1300 mAh，標稱電壓為7.4 V，充滿電壓為8.4 V，最大電流可達16 A，配以LM338穩壓器可以穩定地提供5 A/5 V直流電源。

3 服務器搭建

3.1 服務器端

服務器端功能框圖如圖2所示。

3.2 Linux系統移植

核心板采用友善之臂公司提供的TINY6410，此核心板已提供Bootloader、Linux操作系統和文件系統。使用時只需要根據實際的需要裁減Linux系統即可，本設計采用的Lin ux內核版本為Linux2.6.38，編譯平臺為Ubuntu12.04，交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。

3.3 驅動編寫與移植

(1)直流電機驅動

由于S3C6410只帶有兩路PWM輸出，而夾持器部分需要兩路PWM脈寬調制控制伺服舵機，因此直流電機部分采用定時器2來模擬PWM調制。設置定時器2每100ms進一次中斷，在定時器中進行1～100計數，因此PWM周期為10 s，并有100個脈寬比可調，滿足直流電機調速控制。

(2)伺服電機驅動

伺服電機需要采用脈寬調制，通過調節20 ms周期內的占空比可以指定伺服電機的旋轉角度，其對應關系表略——編者注。

由于舵機的控制要求較高，本設計采用S3C6410自帶的PWM進行控制。設置PWM0和PWM1的周期為20 ms，通過調節PWM0和PWM1的占空比來控制伺服電機的工作。

(3)攝像頭驅動

ZC301為免驅的UVC視頻設備，為了實現視頻的采集，需要在編譯內核時選擇V4L2支持。

(4)USB WiFi驅動

本設計中的USB無線網卡采用RTL8188芯片，為使該設備能夠正常工作需要進行驅動程序移植。

(5)ADO驅動

電源電量以及FSR壓力傳感器數據測量需要ADC驅動的支持，由于系統中已含有該驅動，故只需要在編譯內核時選擇上即可。

3.4 AP熱點搭建

Hostapd是Linux系統中無線訪問接入點的守護進程。它可以將無線網卡設置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設備接入的身份驗證。在實際的使用期間，需要對其配置文件進行相應的修改。本設計中采用Hostapd結合RTL8188網卡完成AP熱點的搭建。另外，通過配置DHCP的配置文件并啟用該服務為接入機器人的WiFi設備分配IP地址，有效地避免了多個設備接入時的地址沖突問題。

3.5 視頻服務器搭建

本設計選用input_uvc作為輸入組件來使用V4L2從攝像頭獲取圖像數據，經JPEG庫對數據進行編碼之后，通過選用output_http作為輸出組件來輸出圖像數據。output http組件實現了一個符合HTTP1.0標準的WEB服務器，用戶可以使用HTTP協議獲取視頻信息。