王赛 刘子龙

摘 要：为解决移动机器人远程控制终端不便捷问题，提出基于4G网络的移动机器人远程控制监控系统，使用Android手机客户端通过4G网络进行远程视频监控;以TCP与UDP协同作用的方式对控制命令和图像信息进行远程传输。实验证明，Android智能手机终端可实时进行视频监控，并远程控制移动机器人运行状态。远程控制更加便捷，应用范围更广。

关键词：监控系统;4G模块;香橙派;TCP;UDP;Android手机

0 引言

智能移动机器人系统受到广泛关注[1]，无线通信技术在移动机器人远程控制方面得到广泛应用。移动机器人控制系统相关技术研究较多：文献[2-6]设计了基于3G网络下的移动机器人远程控制方案，但是传输的视频分辨率较低，传输速度较慢;文献[7]将4G网络下的远程监控技术应用于无人机监控系统;文献[8]提出4G网络下的视频监控，但未涉及移动机器人模拟量传输;文献[9-10]提出了移动机器人在WiFi网络下的近距离远程视频监控系统，但是远程控制距离有限;文献[11-12]提出使用Android智能手机终端通过蓝牙控制移动机器人;文献[13-15]均采用PC作为控制终端。虽然这些控制方式满足了移动机器人远程控制要求，但是控制范围有限，以PC作为控制终端灵活性不够[16]。

随着无线通信技术和Android智能手机的飞速发展，移动机器人远程控制不仅仅局限于现场控制和PC端控制，应该与无线通信技术及Android智能手机尤其是4G网络技术相结合，这对于有危险以及有污染的工作现场应用更具实际意义，如对危险场合工作的机器人系统进行监控。另外，基于Android的应用也是当今软件开发的一个发展方向[17]。本文设计并实现了基于4G网络技术进行远程视频监控的移动机器人系统，应用该系统不仅可以通过Android智能手机查看移动机器人摄像头的视频画面，而且还可实现移动机器人与摄像头的云台运动，对现场设备进行操控及对现场环境实时监测。

1 系统总体设计

系统采用香橙派为主控制器，通过串口连接摄像头在第一时间收集环境信息;香橙派通过I2C连接PWM控制器，通过GPIO连接电机与2自由度云台，控制移动机器人运行以及摄像头左右、上下转动;通过TCP与UDP协同作用将控制命令和视频信息通过4G模块远程传输到Android智能手机终端。系统总体框架如图1所示。

2 系统硬件设计

底层平台控制系统设计是整个系统设计中最为重要的，它保证整个系统稳定运行，直接决定了控制系统水平高低[18]。移动机器人硬件部分主要包括主控制器模块、4G通信模块、视频采集模块、电机驱动模块等。

2.1 主控制器模块

香橙派是一款性价比特别高并且开源的平板电脑，是新一代ARM开发板，可以安装Android、Ubuntu、Debian等操作系统。香橙派拥有1GB DDR3 内存以及全制H3系统级芯片，不仅提高了开发的方便性和工作的可靠性，还缩小了系统体积，应用十分广泛。香橙派是基于ARM的Cortex-A7四核CPU，另外带Mali400MP2的GPU，运行内存1G，最大支持64G TF卡，支持摄像头模块、HDMI等输出，4个USB2.0接口，支持Java、Python、C、C++等编程语言，开发灵活。

2.2 4G模块

经过对同类产品进行大量比较，最终选定宗安/ZOOAN的AF760-4G无线视频通信模块。它是工业级的4G模块，支持4G/3G/2G+WiFi无线接入，有着快速的无线传输速率，最高可达150Mbps。支持移动、联通和电信的SIM卡，实现了全网通。

2.3 电机驱动模块

电机驱动模块选用SKU：RB-01C073A 树莓派电机驱动板。驱动模块含有3.3V电平6Pin串行接口，可与蓝牙模块、各类I2C接口模块及超声波模块连接，制作开发更加方便、简洁。

2.4 通信与控制

传输层分为传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和用户数据协议UDP（User Datagram Protocol）两种类型。TCP是面向连接的，能够保证可靠的传输服务。但是当距离较长时，发送方和接收方必须经过许多路由，并且中间路径可能经常阻塞，此时连接延迟非常高。而UDP是面向非连接的，可以有效进行网络传输，但是会存在丢包现象，缺乏可靠性。

通过比较分析，系统使用TCP协议进行机器人移动和摄像头云台信息传输，视频信息则采用UDP协议传输。理由如下：

（1）可靠性：移动机器人对于控制命令的可靠性要求较高，如果控制命令传输错误，会直接导致机器人动作错乱。另一方面，机械式移动机器人对时间的响应有点迟钝，故网络传输延迟可以容忍，所以控制命令信息的传输采用TCP协议，这样既降低了网络传输的延时对移动机器人运动状态的影响，又保证了控制信息传输的准确性和可靠性。

（2）实时性：移动机器人对视频信息的实时传输要求很高，希望在有限的网络传输速度下，尽可能实时掌握现场环境变化，这就必须减少网络协议开销。因此，选用UDP协议传输视频信息[19]。

3 系统软件设计

本文香橙派采用Android操作系统，通过Socket网络编程实现通信。Android 智能手机作为Client端，主控板香橙派作为Server端。

3.1 控制命令传输与控制

4 实验结果及分析

图2和图3是移动机器人外部和内部展示，图3是Android智能手机终端APP界面，从中可以清晰地看到移动机器人远程传输过来的视频，并且可以通过手机终端中的左侧按钮实现移动机器人摄像头上下 、左右两个自由度旋转，从而以第一视觉查看移动机器人周边环境。同时，移动机器人运动状态通过右侧的4个按钮实现，包括移动机器人的前进、后退、左转和右转。UDP和TCP協议的协同作用，不仅提供了清晰的视频，还提供了准确可靠的控制命令。

5 结语

本文通过4G无线通信技术实现了移动机器人的远程监控系统，并通过Android智能手机终端实现远程控制移动机器人运动状态和摄像头云台的移动。测试结果表明，该系统稳定可靠，实时性好。不仅解决了有危险以及有污染的工作现场设备控制，而且结合Android智能手机终端技术，使得移动机器人控制更加灵活。后续可在此基础上进一步开发与扩展功能，也可与5G模块和5G 手机终端相连以降低视频传输延迟。

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（责任编辑：杜能钢）