專利名稱：一種基于Wi-Fi的機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機器人，特別是涉及一種網絡視頻監(jiān)控機器人，它適用于安保、排障和 危險地帶探測等領域。
背景技術：
移動機器人的概念相當廣泛，從移動形式分為輪式、履帶式、行走式、水下推進式等 等，特別是一些危險作業(yè)機器人，是脫離人的直接控制，依靠遠程遙控，自主或半自主的方 式完成指定的工作，因此比一般工業(yè)機器人更加復雜，智能化程度更高，所涉及的技術更加 廣泛，而且難度也更大，其核心技術包括移動行走技術、遙控和遙操作技術，自主或半自主 技術、多傳感器信息融合技術、導航和定位技術、仿生結構化技術等。
隨著移動機器人的發(fā)展，所需完成任務的復雜化，給機器人安裝上"眼睛"成為了迫切
的需求。隨著CMOS、 CCD攝像機的不斷向小型化發(fā)展，價格不斷的下降，人們開始嘗試將攝像 頭裝在機器人上，增加了視覺，更方便于操控。
早期在機器人裝載整套錄像裝置的方式，無法實時對機器人監(jiān)視。緊接著出現采用電纜 的形式的攝像機，雖然能實現實時監(jiān)視，但是行動的范圍受到了限制，同時過長的電纜也不 大可靠。
后期出現的模擬無線攝像頭能夠無線的傳輸視頻，然而沒有加密的信號，及容易竊取， 安全性沒有保障，更無法應用在安防領域。授權公告號為CN1331641C的發(fā)明專利披露了一種 "保安巡邏機器狗"，該機器狗雖然能夠進行自主巡邏，但是仍存在以下不足1、視頻采用 無線模擬信號傳輸，不易加密處理，容易被他人竊取，無法起到應有的保安作用；2、傳輸指 令的射頻信號，必須使用專用的接收設備，不便于接入互聯網；3、無排除障礙機械手或類似 裝置，無法執(zhí)行如滅火、排爆、惡劣環(huán)境下的生命拯救、反恐作戰(zhàn)等任務；4、不便于接入衛(wèi) 星導航系統，無法在野外等惡劣條件下工作。

發(fā)明內容
鑒于現有技術存在上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于Wi-Fi (Wireless Fidelity, 無線相容性認證)技術的機器人，該機器人不僅具有信息傳輸保密性好、復雜環(huán)境適應強的 優(yōu)點，而且可執(zhí)行惡劣環(huán)境下的各種任務。
本發(fā)明實現上述目的的技術方案為
一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于該機器人包括
——機器人本體，它為一種主要由車廂和履帶行走機構組成的履帶式機動車輛，其中所
3述車廂上設有一機械手，該機械手由轉盤連接固定在車廂頂面前部的中間；
——機器人控制系統，該系統以ARM9系列嵌入式微處理器為核心，外圍分別配置電子 指南針、GPS模塊、CCD攝像機、由反射式紅外傳感器、熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器和濕 度傳感器組成的傳感器組、Wi-Fi模塊、機器人本體控制器和機械手控制器構成；其中，所 述的GPS模塊、機器人本體控制器和機械手控制器分別接在所述微處理器的串行口上，所述 的CCD攝像機、傳感器組和Wi-Fi模塊分別設在微處理器的I/O 口上，所述的電子指南針以
rc總線方式與微處理器連接；
所述的Wi-Fi模塊一方面接收外部控制指令，另一方面將由CCD攝像機攝取的視頻圖像 加密并向外發(fā)送；
所述的微處理器根據傳感器組所探測到的信息以及GPS模塊導航信息和電子指南針所確 定的機器人本體的朝向，自主控制機器人本體控制器和機械手控制器，完成巡邏、排障和拯 救任務；或者根據Wi-Fi模塊所接收到的外部指令，遠程控制機器人本體控制器和機械手控 制器，完成巡邏、排障和拯救任務。
本發(fā)明上述方案中所述的ARM9系列微處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器， 具體可選用ARM9TDMI和ARM9E-S等系列，也可選用韓國三星公司產的S3C2440A芯片。
本發(fā)明所述的機器人控制系統中的Wi-Fi模塊所接收的外部指令的來源以及視頻圖像發(fā) 送的目標均為公知的遠程監(jiān)控裝置(如遠程計算機)，其聯絡方案可以是已知的成熟技術，如， 由無線路由、互聯網和計算機連接組成，再如，由移動基站、GPRS網絡、APN專線和計算機 連接組成。
為滿足野外長時間工作的要求，本發(fā)明所述的機器人還包括太陽能供電裝置，該裝置由 覆蓋在機器人本體的車廂上表面的太陽能板和設在車廂內部的充電電路組成。
本發(fā)明所述的機器人還包括設在車廂頂部的警燈，該警燈電源開關的控制端與所述ARM9 系列嵌入式微處理器的I/O 口連接。當所述的反射式紅外傳感器與熱釋電紅外傳感器聯合探 測到前進方向上有移動的生命體時，警燈便發(fā)出警示信號，以便保證道路的暢通。
本發(fā)明所述的機器人還包括設在車廂頂面的前拐角處的兩照明燈，該照明燈電源開關的 控制端與所述ARM9系列嵌入式微處理器的I/0口連接。當環(huán)境光線較暗時，兩照明燈自動點 亮，以便于CCD攝像機攝取到清晰的視頻圖像。
本發(fā)明所述的CCD攝像機由全方位云臺連接固定在車廂的頂面，位于所述機械手的后方， 且其鏡頭高于固定機械手的轉盤，以監(jiān)視機械手的作業(yè)過程，并便于根據情況遠程實時修正 機械手的作業(yè)動作。
本發(fā)明所述的機器人較現有技術具有以下優(yōu)點和顯著效果1、 將Wi-Fi通訊技術融合其中，利用無線網絡極大地提高了圖像傳輸速度，較好地滿足 了視頻圖像的傳輸要求；可對通過互聯網進行傳輸的信息進行加密，有效地提高了通訊安全 等級；兼容性好，無需專用設備即可接入互聯網。
2、 設有機械手，不僅可主動排除前進道路上的障礙物，有效地擴大了巡視的范圍，而且 可直接拯救由熱釋電紅外傳感器探測到生命體。尤其是可通過CCD攝像機傳回的視頻圖像對 機械手的作業(yè)動作進行實時修正，顯著提高了排障和拯救工作的效率和成功率。


圖1為本發(fā)明所述機器人的控制系統的一種具體實施例的硬件結構框圖2為本發(fā)明所述控制系統的一種具體實施例的控制原理圖3為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人的一種具體實施例的結構立體示意圖4為本發(fā)明所述機器人本體控制器的電原理圖，其中(a)為AVR MEGA64單片機引腳 圖，(b)為電機控制芯片L298N電路圖(c)為堵轉保護電路圖5為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人的初始化流程圖，其中5 (a)為機器人初始化主 程序的流程圖，5(b)為嵌入式系統初始化子程序的流程圖，5 (c)自主導航系統初始化子程 序的流程圖,5(d)為排障、拯救作業(yè)系統初始化子程序的流程圖
圖6為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人的遠程計算機控制流程圖7為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人巡邏訓練流程圖8為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人巡邏流程圖9為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人生命探測流程圖10為本發(fā)明所述基于Wi-Fi的機器人自動排障流程圖。
具體實施例方式
參見圖1，機器人本體控制系統的硬件結構由ARM9微處理器為所述控制系統的核心配以 外圍電路組成，其中，
ARM9系列微處理器選用韓國三星公司產的S3C2440A嵌入式處理器，該處理器是一個由 Advanced RISC Machines有限公司設計的16/32位ARM920T的RISC處理器，它集成了以下
主要功能
4通道DMA并有外部請求引腳；
* 3通道UART (IrDAl. 0, 64字節(jié)TxFIFO,和64字節(jié)RxFIF0);
2通道SPI;
* 1通道I2C接口 (多主支持)；
* 2端口 USB主機/1端口 USB設備；* 4通道PWM定時器和1通道內部定時器/看門狗定時器；* 8通道10比特ADC和觸摸屏接口 ；* 130個通用I/O 口和24通道外部中斷源；所述的外圍電路主要由分別接在S3C2440A的三個串行通訊口上的機器人本體控制器、機 械手控制器和GPS模塊、以I2C總線方式與S3C2440A連接的電子指南針、以USB總線方式與 S3C2440A微處理器連接的Wi-Fi模塊和分別接在S3C2440A的A/D轉換功能的I/O 口上的傳 感器組和CCD攝像機組成，其中，1、 機器人本體控制器由普通的AVRMEGA64單片機U1及其外圍的驅動電路和保護電路組 成。參見圖4 (b)，所述的驅動電路的核心由STMicroelectronics公司的L298N芯片U2擔 任，所述的芯片U2的輸出口0UT1 0UT4組成兩路輸出，分別與機器人本體中履帶行走機構 13內的直流電機連接，由單片機Ul相應I/O 口控制電機的正轉、反轉和速度，進而控制機 器人本體的前進、后退、轉彎、停止以及行走的速度，完成巡邏任務。參見圖4 (c)，所述 的保護電路由LM358 (U3)和外圍的阻容元件組成帶滯回特性的電壓比較器，檢測L298N 1 腳和15腳的電機電流強度檢測信號，當檢測到出現電機因堵轉導致的電流增加時，可以立即 改變比較器輸出狀態(tài)，同時這個信號傳遞到單片機的外部中斷口，通過中斷服務程序延時或 立即切斷電機電源，剎住電機，保護電機的安全。所述電壓比較器的滯回特性，可以使LM358 的正輸入端具有高低雙門限電壓，避免電機轉動過程中L298N的電機檢測信號跳動導致保護 電路誤動作。2、 機械手控制器是由日本EleKit公司生產的MR-999E型五自由度的機械手配套的MARI 控制器，該控制器通過串口和上位機S3C2440A通訊，接收上位機的指令控制機械手作出相應 動作。3、 GPS模塊選用麗臺公司的LR9543全球定位衛(wèi)星導航模塊。所述的S3C2440A通過定時訪問獲取機器人本體此時此刻的位置。4、 所述的電子指南針為BQ-CA80-12C電子數字指南針模塊(采用了飛利浦公司的KMZ52 芯片)。所述的電子指南針配合LR9543全球定位衛(wèi)星導航模塊，確定機器人本體行走的方向。5、 Wi-Fi模塊為VIA VT6656嵌入式無線網卡。所述的無線網卡配置IP使得圖像和遙控指 令雙向傳送。6、 CCD攝像機為常規(guī)的CCD攝像機，其攝取的圖像通過上述的VIA VT6656嵌入式無線網卡和互聯網向遠程計算機發(fā)送。友迅公司生產的DCS-1000專業(yè)級網絡攝像機，提供VGA(640x480)分辨率、24位色的視頻捕捉效果，使用10M/100M自適應以太網卡接口直接接入網絡進行工作。本發(fā)明的攝像頭是通過普通網線連接到網絡口，使用網絡控制芯片RTL8019AS經由過I/O 口與核心S3C2440A相連。7、傳感器組由反射式紅外傳感器、熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器組成。 本實施例中，所述的外圍電路還包括1、 將機械手6連接固定在車廂14上的轉盤5 (見圖3)的驅動電路，該電路的核心由 L298N擔任，其輸出口 0UT1 0UT2與轉盤5內的直流電機連接，由單片機Ul的I/O 口輸出 信號控制電機的正轉或反轉。具體電路可參照4 (b)設計。2、 將CCD攝像機8連接固定在車廂14上的全方位云臺7的驅動電路，該電路的核心由 L298N擔任，其輸出口 0UT1 0UT4組成兩路輸出，分別與全方位云臺7 (見圖3)內的兩臺 直流電機連接，由單片機Ul的I/O 口輸出信號控制兩電機的正反轉，達到控制CCD攝像機8 水平旋轉和其攝像頭的俯仰運動。具體電路可參照4 (b)設計。3、 兩照明燈分別為常規(guī)車用LED燈，其電源開關的控制端與Ul (S3C2440A)的I/O 口 連接。4、 警燈為警車常用的信號燈，其電源開關的控制端與U1 (S3C2440A)的I/O 口連接。 參見圖3，本發(fā)明所述的機器人本體為一種主要由車廂14和履帶行走機構13組成的履帶式機動車輛；所述的紅外線熱釋電傳感器l為兩只，分別嵌設在車廂14的前端面上，有利 于感知車前的生命體；所述的反射式紅外傳感器2為四只，其中兩只嵌設在車廂14的前端面 上，并位于兩紅外線熱釋電傳感器l的兩側，車廂14的兩側各設一只，以便于探測到障礙車 周圍的障礙物；所述濕度傳感器ll設在車廂后端，用于監(jiān)測環(huán)境的濕度；所述溫度傳感器設 在車廂內部(圖3中沒顯示)，用于監(jiān)測機器人內部的工作溫度；所述的兩照明燈3分別設在 車廂14頂面的兩前拐角處，便于在環(huán)境光線較暗的條件下CCD攝像機可拍攝到清晰的圖像； 所述的警燈4設在車廂14頂面前部的中間；所述的機械手6為閂本EleKit公司生產的MR-999E 型五自由度的機械手，該機械手由五個伺服電機和相應的機械結構組成，前端為夾狀機構， 并由一轉盤5將機械手的底座連接固定在車廂14頂面前部的中間，可完成抓、放、舉、旋轉 或各種組合動作；所述的CCD攝像機為友迅公司生產的DCS-1000專業(yè)級網絡攝像機，由一全 方位云臺7連接固定在車廂的頂面，并位于所述作業(yè)機械手的后方，其中所述的全方位云臺 7由兩個帶編碼器的行星減速電機控制，控制簡單靈活，使CCD攝象機可靈活轉動拍攝車四 周的環(huán)境及機械手排障和拯救作業(yè)的場景；與Wi-Fi模塊連接的兩根天線9設在車廂14頂面 的后部；GPS模塊的增益天線10設在車廂14頂面后部的中間；所述的太陽能供電裝置由常 用的太陽能板和充電電路組成，其中太陽能板12覆蓋在機器人本體的車廂14后部的上表面。 參見圖2本發(fā)明機器人的控制系統分為三個控制層級，即由ARM9系列微處理器承擔整 個系統的控制和管理；由電子指南針、GPS模塊、傳感器組、照明燈和警燈形成執(zhí)行層，實現機器人對周圍環(huán)境情況的視覺觀察、機器人自身的定位與導航、障礙和生命體的探測以及 障礙排除和生命體拯救；Wi-Fi模塊通過無線路由和互聯網與遠程計算機進行通訊。 以下結合圖5至圖10詳細描述本發(fā)明所述機器人工作過程和控制方法。1、 遠程控制本發(fā)明是通過Wi-Fi技術的無線局域網進行通訊和控制的。結合圖5(b)和圖6，對遠程 控制機器人進行說明。根據圖5 (b)所示的嵌入式系統初始化的流程圖，Wi-Fi模塊進行初 始化后會自動連接無線路由器(與PC機的網卡功能類似)，由路由器自動分配機器人的IP地 址，也可以使用手動獲取的方式。若連接三次均不成功，則發(fā)出出錯提示音，等待操作員查 錯。若連接成功，機器人則打開設置好的客戶端網絡端口，進入待命狀態(tài)，監(jiān)聽發(fā)送的指令。根據附圖6，遠程計算機獲取輸入設備操縱桿或者鍵盤的命令后，進行程序解析后，將 相關的指令，通過向機器人的IP地址和相應的地址發(fā)送。命令發(fā)送的整個過程是通過TCP/IP 協議，網絡的傳輸對用戶是透明的。機器人接收到指令后，預設的程序通過査表的方式，響應遠程計算機發(fā)送的命令，完成 相應的動作。2、 巡邏結合附圖7和附圖8簡要說明本發(fā)明的巡邏功能。本發(fā)明在第一次使用時，沒有設置相 應的巡邏路徑，必須對其進行訓練，才能進行工作。附圖7是巡邏訓練流程圖。巡邏訓練分兩種， 一種是自動巡邏訓練， 一種是手動巡邏訓 練。開機后，即進行初始化，附圖5(a)、 (b)、 (c)、和(d)所示，相應的GPS定位數據和方 向數據(與地理北極的角度的差值)存儲在內存中。初始化完成后，機器人等待接收指令， 當收到自動邏輯訓練指令時，機器人等待輸入目的地地址。當輸入完整的目的地址信息，如 東經113. 2759952545166度，北緯23. 117055306224895度時，機器人開始根據自身所在的經 度緯度和目的地的經度緯度進行計算，電子指南針計算出目的地的方向，然后發(fā)送指令，所 述的微處理接受指令后，通過機器人本體控制器控制機器人轉向目的地所在方向前進。在行 使過程中，由于前方可能遇到障礙物，必須繞開前進中遇到的障礙物。繞開障礙物后，機器 人的指向己經發(fā)生改變，路徑也發(fā)生了變化，必須根據實際情況及時修正路線，并儲存在控 制核心的FLASH中。當前坐標與目的地坐標重新計算后，根據電子指南針的讀數，重新確定 方向，并開始前進。經過反復的修正，最終達到目的地后。中間所產生的數據都會儲存起來。手動訓練則是在操作員的手動操作下進行，機器人儲存所走過的路徑。直到收到訓練完畢的指令后，完成操作。巡邏訓練完畢后，即可在起點和終點之間進行反復巡邏。根據附圖8，機器人在沒有收到停止指令的情況下，將會不間斷的進行反復巡邏。在巡邏過程中，如果熱釋紅外傳感器探 測到有入侵者，則全方位云臺7驅動CCD攝像機8使其鏡頭對準入侵者，追蹤拍攝，作為證 據發(fā)送到指定的遠程計算機進行存儲。與其同時，警燈閃爍，拉響警報，并將報警信息反饋 回遠程計算機，提醒操作員注意。此過程將會反復進行，直到確認入侵者離開，才關閉報警。
3、 排障
本發(fā)明裝有機械手，能進行排障作業(yè)。以下結合附圖IO，對自動排除障礙物進行說明。 在排障礙物之前，需要將障礙物的特征輸入，建立相應的特征庫。如排除巖石，應將紋理等 相應的信息輸入進特征數據庫。本發(fā)明是在特征庫已經建立好的情況下，進行自動排障礙物 的作業(yè)。
在指定路線的行走過程中，如果測障電路檢測到有障礙物，則對圖像進行采集。采集回 來的圖像進行預處理，預處理包括圖像去噪、圖像增強、圖像分割，選取出感興趣的區(qū)域。 緊接著進行特征提取操作，在根據數據庫的檔案特征，進行特征比對。如果目標物體不屬于 需要排除的障礙物，則繞開障礙物，繼續(xù)行走。若檢測到相符的物體，則根據障礙物的距離 和提取的輪廓進行尺寸估算，若遠大于能機械手搬動的范圍，則上傳遠程計算機，提醒操作 員注意，并等待返回的控制指令。若估算結果滿足搬運條件，則通過模糊控制算法，控制機 械手靠近障礙物。根據模糊控制方法，建立二次運算模型，不斷調整機械手的位置，最終將 障礙物抓住，并移動到指定的位置。
4、 拯救生命
本發(fā)明機器人能在人不方便進入的條件下，進行生命探測。其流程如附圖9所示。在進 入目標區(qū)域后，熱釋紅外傳感器檢測到有生命體的紅外特征后，開始進行圖像采集，并進行 圖像預處理。圖像預處理包括圖像去噪、二值化、圖像分割。再提取出該生命的特征，根 據特征庫的信息，進行比對，濾除其他動物的輪廓特征。若檢測到是人，則閃警燈，并上傳 遠程計算機，彈出報警信息(對話框)，提醒操作員注意。若檢測到不是人，為減少誤判機會， 將可疑信息上傳遠程計算機，由操作員自行判斷。
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權利要求
1、一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于該機器人包括——機器人本體，它為一種主要由車廂(14)和履帶行走機構(13)組成的履帶式機動車輛，其中所述車廂(14)上設有一機械手(6)，該機械手由轉盤(5)連接固定在車廂(14)頂面前部的中間；——機器人控制系統，該系統以ARM9系列嵌入式微處理器為核心，外圍配置電子指南針、GPS模塊、CCD攝像機、由反射式紅外傳感器、熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器組成的傳感器組、Wi-Fi模塊、機器人本體控制器和機械手控制器構成；其中，所述的GPS模塊、機器人本體控制器和機械手控制器分別接在所述微處理器的一串行口上，所述的CCD攝像機、傳感器組和Wi-Fi模塊分別設在微處理器的I/O口上，所述的電子指南針以I2C總線方式與微處理器連接；所述的Wi-Fi模塊一方面接收外部控制指令，另一方面將由CCD攝像機攝取的視頻圖像加密并向外發(fā)送；所述的微處理器根據傳感器組所探測到的信息以及GPS模塊導航信息和電子指南針所確定的機器人本體的朝向，自主控制機器人本體控制器和機械手控制器，完成巡邏、排障和拯救任務；或者根據Wi-Fi模塊所接收到的外部指令，遠程控制機器人本體控制器和機械手控制器，完成巡邏、排障和拯救任務。
2、 根據權利要求1所述的一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于該機器人還包括太陽能 供電裝置，該裝置由覆蓋在機器人本體的車廂(14)上表面的太陽能板和設在車廂(14)內 部的充電電路組成。
3、 根據權利要求1所述的一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于該機器人還包括設在車 廂(14)頂部的警燈(4)，該警燈的電源開關的控制端與所述ARM9系列嵌入式微處理器的 I/O 口連接。
4、 根據權利要求1所述的一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于該機器人還包括設在車 廂(14)頂面的前拐角處的兩照明燈(3)，該照明燈的電源開關的控制端與所述ARM9系列嵌 入式微處理器的1/0口連接。
5、 根據權利要求1 4之一所述的一種基于Wi-Fi的機器人，其特征在于所述的CCD攝 像機由一全方位云臺(7)連接固定在車廂(14)的頂面，位于所述機械手(6)的后方，且 其攝像鏡頭高于固定機械手(6)的轉盤(5)。
全文摘要
一種基于Wi-Fi的機器人，該機器人包括機器人本體，它為一種主要由車廂(14)和履帶行走機構(13)組成的履帶式機動車輛，其中所述車廂(14)上設有一機械手(6)，該機械手由一轉盤(5)連接固定在車廂(14)頂面前部的中間；機器人控制系統，該系統以ARM9系列嵌入式微處理器為核心，外圍分別配置電子指南針、GPS模塊、CCD攝像機、傳感器組、Wi-Fi模塊、機器人本體控制器和機械手控制器構成；所述的Wi-Fi模塊一面接收外部控制指令，一面將所述傳感器組中由CCD攝像機攝取的視頻圖像加密并向外發(fā)送；所述的微處理器可自主控制機器人本體控制器和機械手控制器，完成巡邏、排障、拯救和報警任務，也可遠程控制機器人本體控制器和機械手控制器，完成巡邏、排障、拯救和報警任務。
文檔編號B25J19/00GK101293349SQ20081002854
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者沈仰云, 虹 陳, 黃文愷 申請人:廣州大學