基于WiFi的远程视频传输智能机器人设计

WiFi以其强大的覆盖范围和更高的传输速率得到广泛应用。文中研究了无线视频传输技术在机器人中的应用。文中设计的WiFi机器人是以WiFi无线网络为数据传输载体，实现实时控制、音视频传输和图像采集等功能的智能系统。经测试，该机器人可用于在反恐侦查、战场C4ISR系统、消防救灾、生命探测等民用及军事领域。


WiFi是一种无线局域网运用技术，其出现以来，凭借组网方便、易于扩展等特点，有着广泛的应用前景。而无线接入和高速传输是WiFi的主要技术优点，WiFi技术与机器人技术的结合便产生了WiFiRobot.WiFi Robot是集远程无线通讯、音视频传输、数据采集、多向机械云台、灯光控制、环境检测、超声波测距、红外壁障、超声波领航、动力四驱、摄像头云台等功能为一体的多功能智能遥感机器人，以WiFi网络作为数据传输平台，以高速MCU为数据处理中心，可通过电脑、智能手机、平板电脑等设备进行远程控制，并可拓展更多功能。

1基本原理

设计的机器人所要实现的功能为：操作员在操作终端通过WiFi无线网络连接到小车内置的WiFi模块上，并向其发出相关操作指令，WiFi模块接收指令并传递给内置的单片机，单片机通过控制电路让机器人执行相应的指令；同时，安装在机器人上的各种传感器和摄像头可以通过WiFi网络将数据反向传递给操作终端，从而实现上下行控制及双向通信，以便操作员实时了解机器人周围的环境，并根据环境情况发出指令控制机器人执行特定的任务，实现交互式操作，图1为系统整体实现框图。

2硬件设计

硬件系统由车体部分、路由器、摄像头及云台、驱动板、红外壁障、车灯部分等构成。

（1）车体部分。车体部分主要由4个12 V/120转直流电机和电池组构成，电机两两并联，相当于驱动两个电机。为方便电池充放电，设计了充放电电路，只需拨动开关即可实现充放电操作。电池组电源12 V，可多个并联使用，为机器人提高持久动力。

（2）摄像头及云台。摄像头选择高质量高清摄像头进行监控，摄像头满足0°～180°水平，0°～180°上下旋转，可以远程打开或关闭。摄像头型号为索尼PS2，通讯接口为USB协议。云台由2个MG995数字舵机及其他辅助材料构成。

（3）路由器（WiFi模块）。WiFi模块采用TP-LINK全新推出的150 Mbit.s-1迷你型3G无线路由器。该路由器具有尺寸小，供电电压低的特点。其供电电压只有5 V，且支持OpenWrt.OpenWrt是一个基于Linux的开源路由固件，提供了一个完全可写的文件系统及软件包管理，对支持OpenWrt的路由器刷机后，其相当于一个Linux小系统。路由器选择OpenWrt作为操作系统，将USB摄像头采集的现场图片发给远端的PC控制终端，并将上位机发出的命令通过串口转发给单片机控制系统。

（4）驱动模块。控制板主要包括电源模块、电机驱动、舵机驱动、下载串口、单片机电路、红外壁障、车灯控制以及数据通信接口等。在此主要介绍电机驱动和舵机驱动两个驱动模块。电机驱动采用英飞凌公司的BTS7960直流电刷电机驱动芯片，其具有大电流MOSFET半桥结构。芯片具有较高的集成度和足够的输出能力，并在能耗方面具有优势。在集成化和小型化的电机控制系统中，适合作为理想的电机驱动芯片。

图2为BTS7960与单片机组成的H电机驱动单元。由于所采用驱动芯片是半桥，因此需要采用两片以构成全桥实现电机的正反转。

单片机产生2路PWM输出作为两片BTS7960的控制信号，同时要求PWM0、PWM1不能同时为高电平。采用定时器输出硬件PWM脉冲，使得单片机CPU只在改变PWM占空比时参与运算，这样可大幅减轻系统运算负担和PWM软件编程成本。

线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点，但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的"热损失"，导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。因此为保证较高的电源利用率，舵机驱动采用LM2596开关型稳压芯片实现，它可以提供3 A以上电流，驱动强劲。图3给出了舵机驱动方案。

由于舵机型号为MG995，其工作电压为5.0 V～7.0 V.因此舵机驱动芯片选择了可调LM2596-ADJ芯片，其输出电压Vout=Vref（1.0+R2/R1），其中，Vref=1.23 V为芯片内部参考电压。

3软件设计

软件部分是机器人智能化的体现，它控制WiFiRobot所有的运行状态。整个软件系统体系结构如图4所示。

操作系统采用OpenWrt，此部分在路由器刷机部分完成，主要完成视频采集、数据传输、转发等功能。上位机软件控制灯光控制、拍照、实时控制机器人运动等行为。下位机软件通过接收来自上位机的命令，从而执行