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物聯網智能機器人開發設計


物聯網智能機器人是機器人家族中的一種,具有智能跟蹤、環境監控、數據測試、遠程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能,可以通過電腦上位機或手機客戶端遠程控制電視、空調等。也可以實現傳統的智能自動跟蹤、自動循跡和自動避障。在整個運作過程中可以實時拍攝周圍視頻資料,創新云臺設計,實現全方位無死角拍攝。當前我國大力提倡節能減排,創新驅動發展,為了響應國家號召,在設計物聯網機器人時創新加入太陽能充電裝置,雖然充電效率不高,但太陽能是最環保、有很大前景的能源。

一、智能機器人總體設計方案

物聯網智能機器人的總體設計方案如圖1所示。

圖 1 物聯網智能機器人總體方案設圖

圖1中有兩種控制模式,一種是組成機器人控制局域網,將上位機PC端,手機客戶端APP和智能機器人連接起來,實現上位機PC端或手機APP客戶端控制機器人和顯示視頻數據的目的;另一種遠程控制方案是將機器人通過網絡和互聯網相連,再將上位機PC端或手機APP客戶端通過數據線連入互聯網,可以實現遠程終端通過互聯網和機器人相連,進而實現控制機器人和視頻傳輸。這兩種設計方案的核心技術相同,都是通過網絡地址和端口號的設定,再通過指令傳輸和視頻數據傳輸,進而達到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作,本設計用局域網機器人控制的方式進行分析說明。

從數據傳輸方面來說,無線路由器是手機APP客戶端、上位機PC端和下位機的數據核心,終端可以通過一個套接字編程,建立網絡接口,進而與無線路由器進行連接,智能機器人便可以通過一個網口轉串口的WiFi模塊,再將機器人的串口數據通過這個模塊轉變成WiFi信號,就可以實現和無線路由器進行數據傳輸。其中,手機客戶端APP、上位機PC端和下位機都有相應的局域IP地址。通過設置正確的IP地址,就可以實現數據的傳輸。

從控制的方面來說,手機客戶端APP和上位機PC端是智能機器人的控制中心n,這兩者可以通過按鍵,發出相應的指令給智能機器人,智能機器人解說到對應的指令后給上位機,再由上位機將接收到的指令進行解析,并執行相應的程序,完成對應的動作。

1.1上位機PC端軟件設計

上位機PC端嘲的功能是控制機器人的運動,控制機械手的動作,顯示機器人當前的速度,采集機器人所在環境的溫濕度,控制云臺方向,顯示機器人周圍的視頻數據。同時,可以在上位機PC端上切換智能機器人的工作模式,其中機器人的工作模式有:循跡模式、紅外避障模式、雷達避障模式、智能模式等,可以根據環境的需要切換不同的模式,也可以通過上位機PC端發送對應的指令,控制家用電器如電視、空調等。上位機Pc端軟件設計如圖2所示。

圖 2 上位機PC端軟件設計方案圖

圖2中的功能實現主要由兩個流程完成:第一個流程核心任務是完成從機器人端傳輸過來的視頻數據和音頻數據,而這部分的技術主要是DirectShow;第二個流程核心任務是完成從機器人端傳輸過來的機器人當前速度和溫濕度等信息,選擇當前機器人的工作模式,以及完成在上位機PC端和機器人之間的指令傳輸,實現機器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開燈和鳴笛等功能。在上位機PC端上有控制機械手的進度條,可以遠程控制機械手的操作完成相應的動作,也可以設置機械手和云臺舵機的初始狀態,避免開機時燒壞舵機。在雷達模式下,上位機PC端可以顯示當前有無障礙物,并會做出轉向的動作避開障礙物。在整個運動過程中上位機PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面,可以用鼠標在上位機視頻顯示區控制云臺,實現機器人無死角拍攝。且兩個流程都設置有各自互不干擾的套接字,第一個流程與機器人的攝像頭模塊完成數據傳輸,第二個流程與機器人網口轉串口模塊完成數據交互。

1.2手機客戶端APP軟件設計

本文中的手機APP客戶端采用Android系統,在Eclipse平臺上用Java語言編寫開發的。可以通過APP手機客戶端完成的設置和操作有:設置機器人的運動方向指令;設置網絡地址、視頻存儲和拍照存儲地址;設置是否用觸摸屏控制云臺;顯示視頻畫面;控制攝像頭方位和機械臂動作角度;重力控制機器人。手機APP客戶端軟件控制設計流程如圖3所示。

圖3 手機客戶端APP軟件控制流程圖

1.3下位機軟件設計

下位機設計是機器人核心處理器程序的設計。其設計內容主要包含視頻傳輸控制、云臺操作控制、溫濕度采集、紅外對管模塊和紅外控制家電的設置,以及采集到的視頻數據和控制指令互傳等。在設計過程中每部分都是分模塊編寫的,都有相應的程序模塊,再由主函數將所有模塊綜合起來,當下位機程序接收到上位機PC端或手機客戶端APP的相關指令后,就調用相對應的程序模塊,執行設定好的動作,并將完成的結果發送給終端,其設計流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件設計方案圖

下位機能夠完成上位機PC端或手機客戶端APP指令,并做出相對應的動作的核心是機器人中有網口轉串口模塊。機器人將代碼指令通過串口轉網口模塊,再以WiFi的形式傳出去,上位機PC端或手機客戶端APP便可以接收到下位機發出的指令,通過解析并顯示出來,為機器人的下一步動作做好準備。使用模塊時必須設置正確的IP地址以及端口號,只有對應的設置正確了,上位機PC端、手機客戶端和下位機才能進行數據傳輸。

二、智能機器人設計方案特點及擴展說明

2.1特點介紹

本設計是以PC軟件、安卓軟件、網絡通信、物聯網以及單片機技術為基礎,結合當今提倡的利用環保型能源,創新的構想設計出來的。從機器人處理器的選型,各個模塊的選取,通信協議方案的制定,以及上位機PC端、手機客戶端APP的設計都與現有的“機器人”有較大的區別。本設計利用當前最普通的處理器,完成不同尋常的動作,其特點總結如下:攝像頭全方位拍攝;上位機PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面,并可以實現控制;上位機PC端可以控制云臺,檢查機器人狀態;上位機PC端、APP手機客戶端和機器人上位機可以指示小車的運動狀態刪;可以實現遠程操作機械手;可以實現遙控家用電器如電視、空調等;可以用太陽能給蓄電池充電,并有指示燈顯示蓄電池電量;可以接收上位機的控制指令,實現控制,上位機亦可接收反饋指令和視頻的數據流。

其中本設計中的通信方式利用的是TCP/IP協議,采用無線網絡技術實現對機器人的控制。只要設置好IP地址和端口號后就可實現連接,可以實現局域網內機器人的控制,也可以實現超遠程對機器人的控制。另外上位機PC端軟件和手機客戶端APP軟件,控制模式多樣,應用領域廣泛,符合當前機器人的發展趨勢,為當前機器人的發展提供可行方案。

2.2擴展說明

物聯網智能機器人不僅可以完成上文介紹的功能,還可以擴展以下功能:帶有指示燈顯示運動方向并能夠實現通過重力感應對機器人的控制;帶有GPS全球定位功能在危機時刻或者必要時可以發送信息;太陽能電池板減輕重量,實現對機器人供電補給;語音功能,可以實現語音播放;可以利用機器人無線設備上網,打電話等。

三、智能機器人方案難點及關鍵技術

本設計方案難點在于:

(1)上位機PC端在操作控制機器人時,對數據傳輸的實時性要求很高,并要用相應的表盤顯示出來,且對數據傳輸的穩定性要求更高,網絡通信實現不問斷傳輸更是困難;(2)手機客戶端APP通過觸屏控制云臺,并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難,而通過觸摸屏幕不同方位,控制云臺方向更是困難;(3)視頻處理是利用M—JPEG格式圖片,在規定時間內傳輸一定張數,顯示出視頻畫面。如果對DierctShow技術內部細節掌握不夠,處理視頻時就會很困難。關鍵技術有:下位機程序模塊化編寫;上位機PC端軟件編寫;手機客戶端APP的編寫;TCP/IP通信協議的設定;機器人作為無線網接入網絡;機器人智能模式的完成。

物聯網機器人方案開發

四、智能機器人系統整體調試

機器人調試主要包括上位機PC端的調試、手機客戶端APP調試和機器人整體調試。其中機器人整體調試包括機械手調試,太陽能板調試,智能傳感器模塊調試智能控制電視、空調調試、視頻顯示調試等。

4.1上位機PC端調試

上位機PC端界面可以設置網絡連接模式,顯示視頻、溫濕度和速度等,并實現對機器人運動控制、云臺控制、機械手控制以及對應的功能調試。

(1)網絡連接。網絡連接IP地址為192.168.1.1,端口號為2001。其中此IP地址和端口號分別為機器人的網絡地址和WiFi模塊默認的端口號。上位機設置成以上地址和端口號后就可以實現連接了。這里著重調試通信協議,通信指令按照之前設定好的代碼,當發送相應的代碼,機器人就可以做出相應的動作。

(2)機器人的運動。機器人上位機PC端連接好網絡后,用鍵盤就可以控制機器人的運動。分別點擊W,S,A,D是向前、向后、向左、向右的運動,當拖動鼠標時就可以控制云臺,進而控制攝像頭方位。

為了能更清晰地指示當前機器人的運動狀態。在機器人的上端設置有指示燈,當機器人向前運動時,向前的指示燈亮;當向后時,向后的指示燈亮;向左、向右情況相同。并且機器人運動的方位不同,指示燈顯示的顏色不同。智能機器人在上位機PC端可以設置不同的控制模式,在不同的應用領域應采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代碼分別為:FF130100FF,FF13020OFF,FF130300FF,FF13040OFF,FF13000OFF,FF500OOXFF。

(3)遙控電視。智能機器人可以通過紅外控制家中電器電視和空調等。首先通過上位機PC端發送FF50OOOIFF,讓智能機器人學習一個“頻道加”按鈕,之后再通過上位機PC端發送FF5IO001FF就可以使用智能機器人來控制家中電視“頻道加”。

4.2手機客戶端APP調試

(1)網絡連接。在APP端上可以設置網絡地址為192.168.1.1,再設置端口號為2001。確認連接后,即可以顯示機器人拍攝的畫面。(2)機器人運動。在APP上可以通過遙感、按鈕控制機器人,也可以通過手機的重力感應控制機器人。同時亦可通過控制機械臂進度條來控制機械手,實現機械手的操作自如。(3)視頻顯示。在整個控制過程中,可以實時顯示拍攝的視頻畫面。在進行超遠程控制時,畫面仍然可以傳輸回來,且能清晰顯示。另外在調試時發現,設置波特率時不能調的特別大,不然顯示的畫面不清晰。

總結

在經過多次調試和反復修改程序,物聯網智能機器人基本完成,實現了預期的功能。視頻傳輸和指令傳輸正常,系統穩定,機器人各個控制功能都可以完成,電量顯示的靈敏性,數據采集的準確性,太陽能充電的能量利用率都達到要求,且無論是在局域網還是超遠程互聯網中都可以對機器人操控,其系統的可靠性和穩定性可以和近距離控制相比。

本設計將PC軟件技術、安卓手機APP、通信技術、傳感器技術和單片機技術有機地結合起來,順應了當今電子行業的發展趨勢,擴展了物聯網的應用領域。本設計應用領域廣泛,有很大的市場價值,另外,機器人還可以擴展GPS全球定位、無線上網、語音對話等。

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