移动机器人无线局域网控制系统-AET-电子技术应用

移动机器人无线局域网控制系统

2016年微型机与应用第14期

孙华，吴亚明，李伟

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

摘要： 设计了一种移动机器人无线局域网控制系统，采用OpenWrt系统的无线路由器建立无线局域网，与FPGA进行数据转换，设计了系统的人机交互界面。通过WiFi，操作人员可以对移动机器人进行遥操作控制。通过整体设计使得系统能通过无线局域网将移动机器人控制器与上位机控制平台联系起来进行数据交流，实现上位机对移动机器人的遥操作控制功能以及对移动机器人的监测功能。

关键词： OpenWrt 无线局域网 FPGA 人机交互

Abstract：

Key words :

　　孙华，吴亚明，李伟

　　（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

　　摘要：设计了一种移动机器人无线局域网控制系统，采用OpenWrt系统的无线路由器建立无线局域网，与FPGA进行数据转换，设计了系统的人机交互界面。通过WiFi，操作人员可以对移动机器人进行遥操作控制。通过整体设计使得系统能通过无线局域网将移动机器人控制器与上位机控制平台联系起来进行数据交流，实现上位机对移动机器人的遥操作控制功能以及对移动机器人的监测功能。

　　关键词：OpenWrt；无线局域网；FPGA；WiFi；人机交互

0引言

　　随着无线数据传输协议的规范和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)传输速率和稳定性的提高，无线局域网在机器人领域得到了应用。当机器人在恶劣的环境或者有毒、危险的环境下工作时，对操作人员的人身安全和身心健康造成极大的危害，因此很多机器人的控制方式已经从传统的现场控制发展到远程遥控的方式。操作人员的工作位置与机器人的作业位置可以在两个不同的地方，保证了操作人员的人身安全［1］。

　　本文设计了基于OpenWrt系统的无线路由器的无线局域网。整个系统由上位机和下位机组成，通过基于OpenWrt系统的无线路由器进行传输数据。下位机采用FPGA控制板作为控制器，将无线路由器的网口数据转化为FPGA方便处理的串口数据，使得在进行数据编排时更加简单、快捷，降低了成本，缩短了开发时间。

1移动机器人无线局域网实现

　　本文首先阐述了系统中无线局域网的通信原理，阐明了数据转化的方式，然后对建立无线局域网的设备进行了介绍，并对其内部进行了一些修改，最后对OpenWrt系统和其安装配置进行了简要说明。

　　1.1机器人无线局域网通信系统总体设计

　　本文实现的无线局域网方案是由无线路由器发出WiFi信号，无线路由器可以基于人为定制的OpenWrt系统安装。无线路由器发射的无线局域网完成的通信功能有两个：将网口数据转化为串口数据实现与上位机通信；将摄像头采集的数据发送给上位机处理。为满足要求，在OpenWrt系统的无线路由器上安装两个软件：ser2net和mjpgstreamer。

　　ser2net是网口串口数据互转的软件，上位机发送的控制指令以网口为路径经ser2net从串口转发给移动机器人的FPGA控制板，同样FPGA控制板也可以将该路径反过来反馈数据给上位机［2］。mjpgstreamer可用于通过网络摄像头采集图像，把图像数据以流的形式通过基于IP的网络传输到浏览器。移动机器人无线局域网通信原理图如图1所示。

　　1.2无线路由器

　　本文采用的路由器型号为TPLINKWR703N，传输标准为IEEE 802.11b/g/n，无线传输率为150 Mb/s。该路由采用AR9331的方案，主控芯片为AR9331芯片，为方便串口通信，将该路由的数据输入和数据输出线引出作为TTL串口通信的RX和TX数据线，并引出接地线。

　　无线路由器的路由模式有3种：3G路由模式、无线路由模式、无线AP模式。本设计采用无线AP模式下的接入点模式。

　　1.3OpenWrt系统

　　OpenWrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和高扩展性，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中。有一个称作LuCI的Web交互接口用于配置路由器。这个Web接口有许多配置页面，可以管理安装可用的软件包，但是有些软件不能从网络安装，所以通过终端配置也是一种不可或缺的选择［3］。

　　1.4OpenWrt系统定制

　　本文采用基于Linux的Ubuntu13.10操作系统定制OpenWrt系统。为定制OpenWrt系统，需在Ubuntu13.10操作系统下安装一定的编译依赖包和OpenWrt系统源码。

　　编译依赖包具体安装指令如下：先输入sudo aptget update，再输入sudo aptget install gcc g++ binutils patch bzip2 flex bison make autoconf gettext texinfo unzip sharutils subversion libncurses5dev ncursesterm zlib1gdev［4］。Ubuntu安装编译依赖包过程如图2所示。

　　本设计选择OpenWrt提供的backfire版，下载过程为：先输入mkdir openWrt创建文件夹，再输入cd openwrt确定，紧接着下载OpenWrt源码（svn co svn://svn.openwrt.org/openwrt/branches/backfire/）。下载安装backfire版系统源码如图3所示。

　　1.5Ser2net和Mipgstreamer

　　本文所使用的系统需要ser2net和mjpgstreamer两个软件来完成数据的转化。

　　ser2net的作用是把接收到的网络数据（TCP/IP格式）转化为处理器可以处理的串口数据，同时把串口数据打包成网络格式（TCP/IP格式）发送出去。把此程序放入路由器的启动项程序中，每当串口接收到来自FPGA的数据时，便会触发该程序，把串口数据自动打包，再送到下一级处理。

　　mjpgstreamer的作用是将摄像头采集的视频流数据以mjpg流媒体协议输出到路由器，然后通过ser2net将流媒体数据转化为网络格式（TCP/IP格式）发送出去［5］。

　　1.6无线路由器OpenWrt系统

　　本设计选择设置页面的升级接口方式进行系统安装。具体过程如下：设置进行刷机的PC的网卡IP为 192.168.1.100，子网掩码为255.255.255.0；用网线将无线路由器与PC连接，按住路由器reset按钮，接电源，直到蓝色指示灯亮起后松开reset按钮；用浏览器打开192.168.1.1，进入failsafe刷机界面；在刷机界面中选择刷机的目的固件并确定，等待大约5 min直到指示灯不闪烁，随后刷机完成，可以进入固件界面。

2上位机与无线局域网通信

　　图4ser2net工作流程图上位机与移动机器人控制板的无线局域网通信实际上是上位机数据通过网络端口转串口进行发送。通过OpenWrt系统中安装的软件ser2net完成转发功能。同时视频数据传输到上位机界面后通过绑定的端口号和IP将视频进行解码。在上位机上运用Socket编程和多线程编程将流媒体数据提取出来［6］。TCP网口数据转发到串口的工作流程图如图4所示。