程昭勛 黎煒桁 吳 萌 馮譯萱 陳紫楊 張月霞

（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

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

目前，人們主要通過與機器人配套的遙控器來控制機器人，一些國外文獻所設(shè)計的機器人控制軟件中增加了視頻采集與傳輸[5]、機械臂控制[5]與模式切換[6]等功能。以上研究提出的實用性很高，都有現(xiàn)實意義。在國內(nèi)，移動終端上也有一些控制機器人的APP軟件，如Robot Control、RoboSpace、黑盒機器人等。這類機器人種類繁多且功能強大。但國外軟件的一些功能與接口被刪減，數(shù)據(jù)更新不及時，并且這類APP代碼較為冗長，無法進行二次開發(fā)，不便于軟件的改進。而國內(nèi)的軟件用戶操作形式比較單一，在對機器人的操控多為手動模式，APP中沒有提供給用戶更多的選擇。基于以上情況，本文做出了一些改進。

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的家居搬運機器人的全新理念并設(shè)計了基于Android的手機APP。該APP包括視頻傳輸、運動控制、模式切換、機械臂控制和參數(shù)設(shè)置等功能。經(jīng)過軟件測試，軟件可以實現(xiàn)對機器人進行控制，并且擁有易于使用、能夠?qū)τ谔囟ㄐ枨筮M行二次開發(fā)等優(yōu)勢，具有較大的應(yīng)用潛力。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該Android APP由包括視頻傳輸模塊，運動控制模塊，模式切換模塊，機械臂控制模塊，參數(shù)設(shè)置模塊組成。如圖1所示。

圖1 功能框圖

進入開始界面后，先對各項參數(shù)進行初始化，如視頻控制IP，視頻控制端口，并可以對機器人以及云臺的初始位置進行設(shè)定。

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

使用java語言在eclipse編譯平臺上對Android APP進行開發(fā)、測試。

圖2 軟件流程圖

3 軟件設(shè)計

3.1 視頻功能

在APP對家居搬運機器人傳輸視頻的控制模塊中，代碼分別存放在以下三個不同文件中，即MyMainFrm.java、MyVideo.java和MySurface View.java。下面針對三個不同文件進行詳細說明。

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

MyVideo.java文件是用來顯示視頻的，是一個可見的界面文件。

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

具體地，在MyMainFrm.java中用變量videoUrl，control-Url和port獲取wifi機器人的控制界面中用戶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智能機器人中運行著一個視頻推流服務(wù)器mjpg-streamer，當(dāng)點擊開始按鈕，在MyVideo.java中啟動了線程，執(zhí)行HTTPURL.connection請求指令，wifi模塊就會開始采集usb攝像頭采集到的視頻，并通過HTTP端口號為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度并按位解碼。首先找到視頻流，返回的視頻流的開頭為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)進行解碼產(chǎn)生bitmap bmp一幀的數(shù)據(jù)。最后進行顯示，用函數(shù)調(diào)整長寬高，將一幀的數(shù)據(jù)放進canvas畫布上并用unlockCanvasAndPost解鎖畫布并顯示出來[7]。

最終，不停地通過while循環(huán)獲取視頻流，一幀一幀的視頻流疊加在一起，對于人眼來說就是一個完整的視頻。

3.2 運動控制功能

機器人的運動控制功能部分主要在MyVideo.java文件中。在這之前，先從MyMainFrm.java中獲取到機器人的控制端口與IP地址，通過button_go的按鈕跳轉(zhuǎn)到MyVideo.java文件，通過文件中的代碼對機器人進行前、后、左、右、停的運動控制。初始化中，在初始化定義的全局變量socket中設(shè)置機器人的IP和wifi這兩個端口，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)進行單擊監(jiān)聽，即在APP中按下按鈕后轉(zhuǎn)到相應(yīng)代碼進行響應(yīng)。

下面以前進為例：當(dāng)用戶按下前進按鈕，socketWriter向機器人發(fā)出標準通信協(xié)議，用控制命令(byte)0xff，(byte)0x00，(by te)0x01，(byte)0x00，(byte)0xff}使機器人前進，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法正常使用，使用try和catch語句捕獲并處理異常[8]。

3.3 模式切換功能

機器人內(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”模式為自動模式，用戶在APP端發(fā)送指令后機器人端利用AR9331WIFI模塊接收指令，并調(diào)用各個傳感器與舵機聯(lián)動執(zhí)行。手動模式則可以切換至用戶自行控制。

針對可能遇見的較為復(fù)雜的環(huán)境，在設(shè)計此功能時，將其設(shè)計為手動模式優(yōu)先級最高，因此在自動模式下，用戶無需等待機器人的所有動作全部完成，即可切換至手動模式。提高了機器人控制時的穩(wěn)定性，也可避免用戶在對機器人添加更多傳感器，對各個自動功能進行二次開發(fā)時測試造成的麻煩。

3.4 機械臂控制功能

機械臂控制功能與運動控制功能類似，wifi機器人中運行著ComToNet程序，它的目的在于把網(wǎng)口傳過來的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口。由于程序默認開放的端口為2001，故控制端默認端口也為2001。

與運動控制相同，利用socket作為載體，用socketwrite來發(fā)送數(shù)據(jù)。而與運動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，由用戶自行輸入，而其他常量在constant.java中設(shè)置。

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

4 軟件測試

根據(jù)wifi智能機器人小車系統(tǒng)總體設(shè)計方案，利用Android平臺具體實現(xiàn)了各個模塊的功能。

4.1 主界面測試

進入APP后可以成功進入主界面，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主頁面

4.2 視頻采集顯示以及動作控制測試

進入主頁面后點擊開始按鈕，順利進入視頻采集顯示以及動作控制界面，并能夠使用搖桿對機器人的運動進行控制，360度有效，并能夠同時使用圖形化控件對機器人機械臂進行控制，如圖4所示。

圖4 視頻采集及運動控制界面

4.3 模式切換界面測試

在視頻采集界面中進行模式切換，即可對機器人的控制模式進行切換，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控制功能均可實現(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)置測試

進入主界面后，點擊設(shè)置按鈕可對機器人的初始參數(shù)進行設(shè)置，如關(guān)鍵參數(shù)視頻控制IP，視頻控制端口，并可以對機器人初始位置以及云臺坐標進行設(shè)定，如圖6所示。

圖6 初值設(shè)置界面

5 總結(jié)

本文實現(xiàn)了基于Android開發(fā)的應(yīng)用程序，整個系統(tǒng)專門用于對物聯(lián)網(wǎng)的家居搬運機器人進行控制。該家居搬運機器人通過單片機連接各個模塊，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及手機APP對其進行控制。最終達到了預(yù)期設(shè)定的目標。經(jīng)過軟件測試，該APP可以對機器人進行控制，且易于使用，能夠?qū)τ谔囟ㄐ枨筮M行二次開發(fā)，具有較大的應(yīng)用潛力。

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