遥控机器人

基于WiFi的机器人应用设计技术解决方案

马虹

【摘要】结合工业机器人的研究进展,以组太网为基础,突出上位机的作用,着重分

析了基于WiFi的机器人的利用方法和界定,进行了WiFi接口设计及机器人终端控

制研究,探讨了网络模式下多机器人系统的研究方法和关键技术.

【期刊名称】《南京工业职业技术学院学报》

【年(卷),期】2013(013)004

【总页数】3页(P22-24)

【关键词】机器人;WIFI;解决方案

【作者】马虹

【作者单位】南京工业职业技术学院能源与电气工程学院,江苏南京210023

【正文语种】中文

【中图分类】TN925

目前在机器人的研究和应用领域，世界各国都已经取得显著进展。在这方面较为领

先的日本最近向全球展示的ASIMO机器人引起了世人的关注。然而，机器人的应

用还有很多关键技术未能突破，即使有较好的解决方案，也会被困于硬件设备的资

源或能力不足(典型的是计算能力不足)。而云计算概念的提出似乎给机器人研究找

到了新的突破口。卡内基梅隆大学的JamesKuffner教授在Humanoid2010大

会上说，云计算机器人将会彻底改变机器人发展的进程，极大地促进软件系统的完

善，因为研究人员不必再受制于硬件资源的局限，特别是机器人的中央控制系统，

可以想到的是，可能机器人的软件系统会先于硬件系统而完善［1］。

本文研究的主要目的是设计和实现一个基于WiFi无线网络的智能识别机器人。首

先总结了大量国内外与智能机器人相关的文献资料，深入地分析了当前智能机器人

发展现状，总结出在该领域存在的问题、机遇和挑战，提出了一种基于WiFi的解

决方案。本方案由机器人、支持WiFi的无线路由器组成。硬件机器人只负责机械

运动、数据采集、信息传输等功能，而需要进行复杂数据计算的功能则在PC端执

行。机器人与PC之间的通信通过WiFi无线网络连接。

1机器人的关键技术

计算机等学科的发展推动了机器人技术的迅速进步，智能识别机器人市场潜力巨大，

使得与其相关的技术成为学术研究的热点问题。包括人工智能、网络通信技术、模

式识别等都与现代机器人技术有着密切的联系。但也存在技术不够成熟、成本高等

问题。

我们知道，传统机器人内置个人电脑，使之有较强的自主性，但内置电脑显然使机

器人变得更复杂。而引入WiFi技术，使得机器人只负责机械运动，至于数据采集、

网络通信、信号处理、数据计算等均由PC执行。本项目研究的关键技术有以下几

点。

(1)试图让中央控制系统(大脑)的开发人员，可以透过上位机来为机器人添加、完善

各种功能，实现与硬件设备脱离的关系。

(2)方案以WiFi为承载网络，简化机器人的设计，提高执行效率。

(3)研究将WiFi和机器人结合的最佳途径，降低人们的使用成本(不再有大量闲置

的计算能力)，并且也利于让机器人商业化(收费途径集中到中央服务器，周期化)，

使机器人领域能够发挥大作用。比如驾驶机器人，能和交通部门的服务器通信，自

动规划最优化的路线［2］。

(4)多机器人系统存在协调难点。可以根据自然界中的群体行为进行协调和协作。

这就是具有通信约束的多机器人系统的编队控制问题。解决的方法较多，如采用时

延依赖性质分布式编队控制算法。

2WiFi模块遥控机器人应用设计技术解决方案

在制定本方案中首先必须解决多机器人编队问题。目前，国内外对多机器人编队问

题的研究主要有跟随领航者法、基于行为的方法、虚拟结构法、运动势场法等。本

项目方案根据国内学者的研究成果采用粒子群优化法。它是一种非常有效的智能参

数优化算法，可对参数进行实时配置，以实现多机器人之协调问题［3］。

其次是硬件选择问题。本项目基于WiFi模块的遥控机器人应用设计技术试验解决

方案，采用深圳远嘉科技公司的智能遥控机器人套件产品，它是一套用于开展机器

人创新实验的模块化机器人套件，具备多种基本构件组成的模块化零件套装，包括

一个基于高性能DSP处理器的核心控制板，多个机器人专用大扭矩数字驱动器组，

1个支持重力传感的2.4GHz遥控器，6组红外传感器单元和双通道48kHz采样

音频传感器单元，以及配套的结构组件、可充电电池及机器人专用传输线等。

RoboEx机器人的结构件和创新的连接方式专为创作各类机器人而设计，连接非常

方便，用这些模块化零件，可以搭建出各种机器人模型来。

2.1WiFi模块介绍

(1)WiFi-XLW001S

串口WiFi模块价格便宜，并综合了国外同行的WiFi先进技术，适应家居电器、

数码、医疗智能化控制一体解决方案，如WM001S系列芯片，具有体积小、重量

轻、功耗小等特点。

WiFi-XLW001S是远嘉科技推出的全新的第一代嵌入式Uart-Wifi模块产品。

Uart-Wifi是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网

络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网

络之间的转换。通过Uart-Wifi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。

WiFi－－XLW001S在前一代产品的基础上进行了全面的软硬件升级，功能更加强

大，使用更加简单。

(2)EMB－380C

EMB－380C为该接口设计所选择的WiFi模块。它内部集成了嵌入式TCP/IP协

议栈，支持主流的常用协议，如ARP、ICMP、IP、TCP、UDP、DHCP，可以向

用户提供透明的UART和SPI数据传输。在透明数据传输模式下，当模块启动后，

用户可以像使用传统UART和SPI那样进行数据传输。模块会将用户数据封装成

数据帧，并通过WLAN传送给远程的客户端［4］。

图1所示为运用EMB－380C构成的通信系统示意图。系统首先由微控制器完成

数据采集，然后将状态数据传送至WiFi模块中，模块再以无线方式将信息发送给

带无线网卡的PC机。

图1无线通信系统示意图

2.2接口原理图设计

该接口系统采用SPI全双工通信模式，在STM32的SPl1以及WiFi模块上的SPI

口之间进行数据的收发。STM32微控制器是数据的发送源，所以，将其配置为主

设备，EM380模块则配置为从设备。

在SPI全双工通信模式下，须将主从设备的SPI口中的SCK、MISO、MOSI引脚

互联;另外，主设备的NSS控制采用的是软件控制模式，而WiFi模块的NSS引脚

则通过PA4口控制其从模式选择，实际功能相当于该模块的片选。图2所示为该

系统的接口原理图，其中J1和J2为WiFi模块的两排引脚。

图2接口设计原理图

2.3主控板设计

主控板选择ZedBoard，它是基于XilinxZynqTM－7000扩展式处理平台(EPP)

的低成本开发板。此板可以运行基于Linux，Android，Windows®或其他

OS/RTOS的设计。此外，可扩展接口使得用户可以方便访问处理系统和可编程逻

辑［5］。Zynq－7000EPP将ARM®处理系统和与Xilinx7系列可编程逻辑完

美地结合在一起，可以创建独特而强大的设计。

2.4电机控制电路设计

电机控制电路选择LM298，LM298内部同样包含4通道逻辑驱动电路。－－

L298，内置双路全桥驱动电路，可驱动2路直流电机，也可以驱动两相步进电机，

标配2A驱动电流，全新进口SMT封装，性能大大优于国产插件封装L298，价格

也贵得多。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱

动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，

形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4

之间可分别接电动机，本项目装置选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入

控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

2.5接口资源和特点分析

基于WiFi无线网络的智能识别机器人在硬件设计上有多个接口以达到智能化要求，

其中的接口主要有电机输出接口，用来标配驱动2路直流电机(也可用并联方式驱

动4路小电流电机)，可选驱动步进电机;电机扩展逻辑控制接口，用于控制外接大

功率电机底盘(如大脚电机);共有5路舵机驱动接口(可以扩展至8路)，还有1个舵

机扩展逻辑控制接口组，用于控制外接超大功率舵机;本设计中有3路红外避障接

口，通过红外线探测前方是否有障碍物，如发现障碍，根据软件设计中的避障算法

规划最短路径。

其他接口还涉及TTL排针串口、红外一体化接收头、4路预留接口(可接温度传感

器、超声波模块、I2C接口的FM模块等)、USB接口(完美适配703等无线路由，

集5V供电和TTL串口于一体，也可以外接串口模块，如指纹模块等)、最大输出

500mA电流驱动接口(可以接红外发射头.蜂鸣器.强光二极管，继电器等)、直流电

源输入接口(7－15V范围输入)、5V电压输出接口(标配1A电流)、电机驱动电压

选择跳线开关(可选6V/9V/12V输出)。

该设计中使用的电源为8A工作电流，具有超强可靠性，另配有6组高亮LED运

行指示灯。关键逻辑部分均使用光耦进行隔离，极大地提高了稳定性。

3结束语

当前，机器人研究方兴未艾，基于WiFi的机器人解决方案成为研究中的又一个热

点。通过对WiFi模块遥控机器人的理论研究和实际安装与调试，进一步明确了接

口设计及软件编程，实现云媒体流下的机器人自主运动。

参考文献:

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