基于智能手机的家用机器人远程控制系统的设计与实现（可编辑）

基于智能手机的家用机器人远程控制系统的设计与实现硕士学位论文工程硕士基于智能手机的家用机器人远程控制系统的设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFHOUSEHOLDROBOTREMOTECONTROLSYSTEMBASEDONSMARTPHONE尹琳琳哈尔滨工业大学2013年6月国内图书分类号TP311学校代码10213国际图书分类号6213密级公开工程硕士学位论文基于智能手机的家用机器人远程控制系统的设计与实现硕士研究生尹琳琳导师蔡则苏副教授副导师李瑞峰教授申请学位工程硕士学科软件工程所在单位软件学院答辩日期2013年6月授予学位单位哈尔滨工业大学CLASSIFIEDINDEXTP311UDC6213DISSERTATIONFORTHEMASTERDEGREEINENGINEERINGDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFHOUSEHOLDROBOTREMOTECONTROLSYSTEMBASEDONSMARTPHONECANDIDATEYINLINLINSUPERVISORASSOCIATEPROFCAIZESUASSOCIATESUPERVISORPROFLIRUIFENGACADEMICDEGREEAPPLIEDFORMASTEROFENGINEERINGSOFTWAREENGINEERINGSPECIALITYSCHOOLOFSOFTWAREAFFILIATIONJUNE,2013DATEOFDEFENCEDEGREECONFERRINGINSTITUTIONHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着人们生活水平的不断提高以及机器人领域技术的飞速发展,家用机器人倍受亲睐。交互式控制软件系统是家用智能机器人的灵魂,通过交互式控制软件系统对机器人各功能的控制和协调,家用机器人的智能性、实用性和交互性得以体现。通过系统的设计及其与下位机的通讯,实现智能手机对机器人动作控制以及对家用机器人所在环境进行实时网络监控,因此基于智能手机的家用机器人远程控制系统的研究有重大意义。本系统是基于VC60中的MFC研发模块及FMSFLASHMEDIASERVER平台开发研制出一款ANDROID智能手机对家用伙伴机器人的远程控制软件系统。系统分为机器人端服务器程序和ANDROID智能手机客户端程序两部分。本软件系统首先安装实现流媒体服务器FMS,使家用机器人端与智能手机端建立数据通道。通过应用FMS提供的多媒体技术,成功地将机器人端捕捉的的实时视频以及实时环境温湿度数据通过3G网络分别传输到智能手机端的实时视频模块和温湿度显示模块等。实现了手机用户对家用机器人的实时监控。机器人端程序设计主要分为视频编码模块、网络发送模块和运动控制模块。视频编码模块使用FMS实现视频的采集,然后进行基于ANDROID智能手机标准的H263格式的视频压缩。网络发送模块利用WINSOCK实现编程,最后通过FMS将实时视频由机器人端发送到客户端。机器人端上位机通过串口与下位机ATMEGA128单片机通信,实现机器人的运动控制,运动控制模块通过在MFC模板中添加MSCOMM控件来实现串口通信的编程。智能手机客户端程序在ANDROID操作系统下完成,主要实现视频重建和运动控制信息的发送。视频的重建就是H263的解码过程,主要通过反量化和反DCT变换来实现帧数据的恢复,并显示出来。而手机端对机器人的运动控制信息的发送则是当手机端触发特定的按钮时向机器人发送特定的指令,从而实现机器人特定的运动功能。关键词ANDROID智能手机家用机器人H263运动控制I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFPEOPLESLIVINGSTANDARDSANDROBOTICSTECHNOLOGY,THEHOUSEHOLDROBOTSHAVEBEENGIVENINCREASEDATTENTIONSTHEINTERACTIVECONTROLSOFTWARESYSTEMISTHESOULOFHOUSEHOLDROBOTSANDTHEINTELLIGENCE,PRACTICALITYANDINTERACTIVITYCANBEACHIEVEDTHROUGHTHEINTERACTIVECONTROLSOFTWARESYSTEMFORCONTROLANDCOORDINATIONOFEACHFUNCTIONOFROBOTSTHESYSTEMDESIGNTOGETHERWITHTHENEXTCREWCOMMUNICATIONSCOULDLEADTOTHECONTROLOFROBOTMOTIONANDREALTIMENETWORKMONITORINGOFHOUSEHOLDENVIRONMENTTHROUGHSMARTPHONESTHEREFORE,STUDYONTHEREMOTECONTROLSYSTEMOFHOUSEHOLDROBOTBASEDONTHESMARTPHONESHASGREATSIGNIFICANCETHEREMOTECONTROLSYSTEMISBASEDONTHEMFCMODULESOFVC60ANDFMSPLATFORMFLASHMEDIASERVERTHESYSTEMISDIVIDEDINTOTWOPARTS,INCLUDINGTHEROBOTSERVERPROGRAMANDTHECLIENTPROGRAMFIRST,THEFMSWASINSTALLEDTOESTABLISHTHEDATACHANNELBETWEENTHEROBOTANDSMARTPHONEAPPLICATIONOFMULTIMEDIATECHNOLOGYPROVIDEDBYFMSTRANSMITTEDTHEREALTIMEVIDEOANDREALTIMETEMPERATUREANDHUMIDITYDATA,CAPTUREDSUCCESSFULLYBYTHEROBOT,TOTHEREALTIMEVIDEOMODULEANDTHETEMPERATUREHUMIDITYMODULEONTHESMARTPHONEOVER3GNETWORKSTHUS,THEREALTIMEMONITORINGOFDOMESTICROBOTSBYMOBILEPHONEUSERSHASBEENACHIEVEDTHEROBOTSIDEPROGRAMISMAINLYDIVIDEDINTOVIDEOENCODERMODULE,NETWORKTRANSMISSIONMODULEANDMOTIONCONTROLMODULETHEVIDEOENCODERMODULEUSEDFMSFORVIDEOCAPTURE,ANDTHENTHEVIDEOCOMPRESSIONACCOMPLISHEDWITHH263FORMATBASEDONTHESTANDARDOFANDROIDSMARTPHONESTHENETWORKTRANSMISSIONMODULEUSEDTHEWINSOCKTOIMPLEMENTPROGRAMMING,ANDFINALLYTHELIVEVIDEOWASSENTFROMTHEROBOTTOTHECLIENTTHROUGHFMSTHECOMMUNICATIONSBETWEENTHEABOVECREWANDTHENEXTCREWATMEGA128MCUOFROBOTWASFULFILLEDBYTHESERIALPORT,CONTRIBUTINGTOTHEMOTIONCONTROLOFROBOTTHEMOTIONCONTROLMODULEREALIZEDTHESERIALCOMMUNICATIONPROGRAMMINGVIATHEMFCMSCOMMTHESMARTPHONECLIENTPROGRAMWASCOMPLETEDONTHEANDROIDOPERATIONSYSTEMTORECONSTRUCTIONOFTHEMAINVIDEOANDSENTOFMOTIONCONTROLINFORMATIONTHERECONSTRUCTIONPROCESSISDECODINGOFII哈尔滨工业大学工程硕士学位论文H263VIDEO,MAINLYTHROUGHTHEINVERSEQUANTIZATIONANDINVERSEDCTTRANSFORMATIONTOACHIEVETHERECOVERYANDDISPLAYOFTHEVIDEODATATHETRANSMISSIONOFTHEROBOTMOTIONCONTROLINFORMATIONWASCOMPLETEDWHENTHEMOBILEPARTICULARBUTTONWASTRIGGEREDTOSENDSPECIFICCOMMANDSTOTHEROBOTFINALLY,ASPECIFICMOTORFUNCTIONOFTHEROBOTWASACHIEVEDKEYWORDSANDROIDSMARTPHONESHOUSEHOLDROBOTSH263MOTIONCONTROLIII哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题来源及研究的目的和意义1111课题来源1112课题研究的目的和意义112国内外研究现状1121国外现状研究2122国内研究现状413本文的主要研究内容614本文的组织结构7第2章系统的需求分析和总体结构设计821系统的业务需求8211用例分析8212ANDROID智能手机客户端需求分析9213家用机器人服务器端需求分析1022系统的总体结构设计12221智能手机控制机器人系统总体结构设计12222智能手机远程控制机器人系统软件逻辑架构13223系统总体流程图1423系统开发运行平台15231智能手机端程序开发平台15232机器人服务器端程序开发平台1624系统功能模块划分1725本章小结19第3章系统的详细设计与实现2031智能手机端实时视频显示模块详细设计20311流媒体服务器FMS22312机器人端摄像头视频采集方案22313应用FMS服务器进行视频传输23314基于ANDROID智能手机的H263格式视频编码技术28315基于ANDROID智能手机的H263格式视频编码实现30IV哈尔滨工业大学工程硕士学位论文32智能手机控制机器人系统中数据的网络传输33321智能手机端应用套接字SOCKET实现网络编程33322ANDROID智能手机端的WINSOCK实现流程34323机器人服务器端和智能手机客户端的工作模式35324智能手机端网络接收系统实现36325智能手机客户端网络接收模块的实现3733智能手机客户端实现37331智能手机客户端程序整体结构37332基于ANDROID智能手机的视频解码部分的实现3834机器人端实现42341机器人端服务器界面程序设计42342机器人端温湿度传输模块程序设计43343机器人服务器端行动模块的实现44344机器人端串口通信的实现4535本章小结48第4章系统测试4941系统测试方案4942系统测试49421系统测试用例50422系统功能测试52423智能手机远程控制机器人行动测试5443本章小结54结论56参考文献57哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明错误未定义书签。致谢62个人简历64V哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论11课题来源及研究的目的和意义111课题来源项目名称“基于智能手机的家用机器人远程控制系统的设计与实现”。基于智能手机的家用机器人远程控制系统来源于本人在哈尔滨展达机器人自动化有限责任公司实习过程中参与的实际项目,本系统源自于展达公司自主研发的“家用伙伴机器人开发”项目。在项目实施过程中,本人参与本系统的需求分析、设计实现和测试验收等工作。112课题研究的目的和意义家用机器人即家居服务型机器人主要应用于家庭环境中提供服务,主要由机器人本体、单片机控制板和平板电脑组成。随着科技的飞速发展以及生活节奏的不断加快,家用型智能机器人在市场欢迎度方面领先其它机型而得到用户高度评价。机器人要想为人类服务首先必须能听懂人类语言,即人机交互式软件系统是机器人的核心,决定了机器人性能的优劣,因此,本项目针对市场需求研发了基于智能手机控制的人机交互控制系统,整个系统只需要一部智能手机和3G网络,不需别的任何辅助条件,就可以做到对机器人的远程控制。本系统设计了可视化和可操作化程度较高的操控界面,可以满足家用需求同时采用了网络交互方式,方便人们远程监控家居环境将机器人实施的各项功能进行模块化组合,在此主要使用了可视化编程模块设计。应用此系统利于外出用户随时对家庭环境进行实时监控,另外也方便老人与儿童等特殊人群的使用。本系统实现了机器人与智能手机用户间的交互,提高了交互水平,为未来机器人应用软件设计时将不同功能单元模块集成化提供了一种方法。本系统可完成用户对家居机器人的远程控制,一部智能手机即可完成对用户家居环境的远程监控。因此课题的研究对于智能机器人在家庭中的应用提供了一种较为可行的方法,具有重要意义。12国内外研究现状目前,国内外针对机器人远程控制的相关研究,主要集中于以PC终端为1哈尔滨工业大学工程硕士学位论文18控制终端进行对机器人的远程控制,相关应用软件也已推出市场。另外,针对3G网络和智能手机对机器人进行远程控制的研究,国内外研究人员也取得了一些进展。121国外现状研究目前,世界上已有部分国家开发出了一些智能机器人,并且已经投入市场,各种类型的机器人已经走进家庭,在娱乐、看护、安保等方面发挥着作用。移动设备如早先的无独立操作系统的手机或现在发展迅猛的智能手机,均可以通9过屏幕观看或者发布远程控制命令。德国DANIELHE等试验了通过手机远端控制机器人。德国人所用的机器人本体图和手机客户端的监控画面分别如图11和图12所示。该机器人可以远程控制前进、后退、顺时针和逆时针转动,并携带一个PTZ云台全方位移动及镜头变倍、变焦控制摄像头实时采集图像。系统服务器运行在机器人机载计算机上,用C编写。客户端为运行WINDOWSMOBILE或SYMBIAN操作系统的手机,使用JAVAME平台开发客户端软件。图11受控机器人实物图图12JAVA客户端视频监控10SGARAWI和RSHISTEPANIAN等人建立了基于3G网络的移动机器人超声扫描系统OTELO,为欧洲信息社会技术IST资助项目,旨在建立一套完整的端对端移动超声扫描系统,方便超声医学专家开展远程医疗救助。它包含一个便携式远程操作机器人,辅助医学专家为异地的病人执行实时机器人化超声扫描。它有专家站、通信链和患者站组成,需要传输三类数据机器人控制数据、超声静态图像和医学超声流数据。整体的系统结构图如图13所示。2哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图13OTELO基于3G网络的移动机器人系统结构图该系统使用RTP/UDP协议传输数据,丢包率小于05,采用H263视频压缩算法。实验结果丢包率和时间延迟都较小,取得了不错的效果。由于3G相对于以前的GSM、GPRS、EDGE和CDMA1X等1G和2G网络,传输速率更快,这使得视频图像的传输成为可能,当然前提是拥有3G手11机并且订购3G业务。马来西亚SALIYAHKAHAR等人提出了利用3G网络建立智能手机和移动机器人通信的模型,如图14和图15所示。图14基于3G网络的视频传输图15移动机器人控制模型受控机器人WIROBOTX80配备了摄像头、话筒和移动轮,可以和周围环境进行交互。该系统可以通过手机端的语音指令控制机器人的运动。编程语言选择C/C、VISUALBASIC和JAVAME,因为JAVA支持大多数移动设备。研究人员提出了一套控制系统,该控制系统主要部件为配备网络摄像头的机器人,研究者通过摄像头进行环境监测。移动手机利用无线二进制运行环境BINARYRUNTIMEENVIRONMENTFORWIRELESS,BREW编写联合应用程序。图16为BREW的界面。图17为机器人WIROBOTX80。3哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图16BREW界面图17WIROBOTX80机器人在这套系统中,实时图像信息、机器人的运动功能被充分开发。BREW允12许开发应用程序时使用C/C语言。在参考文献中,ANDROID平台被应用到嵌入式系统,例如机器人控制系统。开发者在编写应用程序时,使用ANDROISDK软件开发包提供的JAVA和本地C/C语言。122国内研究现状随着3G通讯技术、物联网技术、机电控制技术、多媒体技术的日趋成熟,131819基于相关技术的产品也备受消费者的欢迎。武汉理工大学张磊综合了机器人技术和嵌入式技术提出了一种基于ARM9与3G网络相结合的智能机器人。受控端采用ARM9开发平台和嵌入式LINUX操作系统,控制端为ANDROID手机,完成周围环境的图像、温度、声音等信息的采集,实现机器人和手机间视频、20语音等多媒体通讯。严武军等人设计了基于ARMS3C2440、3G网络、WEB网页和ANDROID手机的移动图像监控系统,该系统可以帮助用户随时查看和控制家中家电设备的运行情况。用户可以用ANDROID手机或网页形式登陆机器人服务器实现对机器人工作的远程控制,了解家中设备的工作情况。本系统的拓扑图如图18所示。图18基于手机的实时视频监控系统拓扑图21艾斌设计了油田现场无线视频监控系统,该系统的主体部分由控制端和中心监控部分组成,两部分之间通过3G网络和INTERNET相连。监控终端采集的4哈尔滨工业大学工程硕士学位论文视频信号经数字化和压缩后,经由3G网络和INTERNET传送至设立在监控中心的大屏幕上。监控终端硬件通过SOC芯片外加DSP芯片实现,软件包括嵌入式操作系统和监控终端软件。监控中心硬件为PC机,软件采用WINDOWS操作系统和监控中心软件。22中山大学胡晓乐设计并实现了基于ANDROID平台的MID视频监控系统。对ANDROID开发平台、无线局域网协议、RTP协议和H264标准及其视频数据的RTP封包算法进行了阐述与分析。研究者分析客户端软件时将其分为图形界面、控制、传输和解码四个部分并进行了详细说明。在该系统中,信息传送石通过UDP/IP协议进行的。总体网络结构环境如图19所示。图19视频监控总体网络环境图23北京邮电大学宁栗在ANDROID手机操作系统上设计并实现了符合用户实际需求的视频监控系统,即基于传统网络的视频监控WEB模式,ANDROID浏览器引擎WEBKIT加载具有视频监控功能的插件,实现手机监控。图110、图111为实际测试效果。图110PC端视频图像图111手机浏览器视频图像24耿东久等人提出了一个基于ANDROID手机的远程访问和控制系统,该系统基于开放服务网关规范OSGI的智能网关技术,系统运行流程图见图112。5哈尔滨工业大学工程硕士学位论文总体设计思路是在智能空间部署一台PC,负责提供服务并与用户的ANDROID手机通信。手机提供管理界面,该系统是一个C/S结构的系统,PC作为服务器,ANDROID手机作为客户端。用户携带ANDROID手机进入空间后,手机端连接网络,搜索网络中可用设备服务,发现可用服务后与之进行交互。图112系统运行流程图13本文的主要研究内容随着现代3G移动网络的飞速发展,远程实时视频可以在智能手机上方便播放。为了让更多的人们可以通过移动手机随时控制远在家中的机器人,实现对家人及家居环境的监测,本文提出了一种基于ANDROID智能手机的家用机器人远程控制系统。本项目前期已成功设计的家用机器人本体如图113所示。图113家用机器人本体设计本课题研究重点在于建立面向家用机器人应用的智能手机端控制系统及机器人端受控系统。该系统采用C/S架构,客户端为基于ANDROID平台的智能手机,机器人服务器端配有网络摄像头和平板电脑。1基于ANDROID操作系统的智能手机端软件设计6哈尔滨工业大学工程硕士学位论文ANDROID手机端呈现的模块功能有手机远程控制登陆、家居环境传感数据显示、远程实时视频传输和机器人行动控制等。其中,在智能手机端建立四个相应的应用程序,具体包括手机远程控制登陆模块、环境传感数据显示模块、远程实时视频模块和机器人行动控制模块。2基于3G网络条件下的智能手机与机器人端的网络通信及功能实现机器人端和智能手机端通过3G网络建立数据通道,通道中传输的数据流分为两种,一种是实时视频流,另一种是控制指令和传感信息。为了提高实时视频流的网络传输效率,本系统应用FMSFLASHMEDIASERVER流媒体服务器实现机器人与智能手机之间的视频和温湿度等数据的传输。FMS流媒体服务器是机器人服务器与ANDROID智能手机之间实现实时通讯的新平台。此平台集成了通讯及应用程序的功能。首先应用FMS进行机器人端的视频采集,然后进行H263格式的视频压缩,最后经由FMS将实时视频流数据以及温湿度数据发送至机器人端的相应模块。智能手机端将接收到的实时视频进行H263格式的解码与重建。机器人端上位机通过串口与下位机进行通信,实现了智能手机远程控制机器人行动的功能。14本文的组织结构按照软件产品分析到实现的流程,本文共分为五章。第1章绪论介绍了课题提出的来源、分析了研究目的和理论及现实应用意义、讨论了涉及技术的国内外研究现状、从而明确了本文的主要研究内容,构建出本文的组织结构。第2章系统的需求分析及总体设计从客户的角度进行了系统业务需求分析,并且分别对系统的总体结构设计以及智能手机端的控制软件的设计进行了分析,同时对智能手机端各个控制功能模块进行了分析,采用UML模型对系统的功能更进一步的进行了详细分析说明。最后对非功能性需求做了分析说明。同时本章介绍了系统的总体设计。第3章系统的详细设计与实现在以上分析和系统总体设计的基础上,详细描述了智能手机端实时视频、温湿度显示、机器人行动控制等模块以及服务器端的各模块的详细设计和实现。该章是本文所研究的核心部分。第4章系统的测试对系统进行了功能和性能两方面的测试,以达到客户的需求。最后是论文的结论部分,总结了本文完成的主要工作和得到的具体结果,并指出了系统存在的问题并对下一步工作提出展望。7哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章系统的需求分析和总体结构设计软件开发中的需求分析在整个开发过程中占有非常重要的地位。需求分析对产品的开发起着决定性的作用。首先要充分地研究用户的需求,然后才能确定整个系统中所要完成的功能,最终完成具体的需求规格说明,为下步的开发打好坚实的基础。本章首先对该系统分别从业务需求和用户群体进行了具体分析,并且运用UML建模语言的用例图等进一步对系统的功能做了详细的分析。最后再根据用户的现实需求对整个系统的各项功能进行了综合性的详细分析。21系统的业务需求最近几年来由于科学技术的不断进步,机器人以及人工智能行业的技术飞速地发展,微小机器人和网络的普及使得智能机器人受到更多家庭的关注。伴随着人们工作时间的的不断延长、单独在家的老人和儿童日渐增多,因此家庭安防、家居环境温湿度及可燃性气体危害等家庭环境安全问题越来越受到人们的重视。因此家用机器人更受到人们的亲睐并逐步进入日常生活。对于机器人而言,良好的交互性是家用机器人智能化的重要体现,交互式、可视化的软件系统的研制已经成家用智能机器人研究技术领域的关键,决定了机器人性能的优劣,所以,更加易于操作、维护的交互式机器人控制系统的开发意义重大。211用例分析本章应用了用例图直观易懂地去对整个手机远程控制机器人系统的需求完成了详细的深入的分析。同时对整个系统的各项功能进行了系统的分析,确定了系统的参与者等几个不同的用例。系统的整体用例如图21所示,并根据该图和需求分析,可识别出系统的参与者如下1家用机器人它直接接收并执行ANDROID智能手机端用户发来的各项行动指令及其他控制指令。2ANDROID智能手机使用者拥有使用权限、通过使用智能手机实现对家用机器人所在环境进行实时监测,具体表现为对机器人行动的控制和接收机器人端传来的实时视频及温湿度数据。8哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图21系统整体用例图通过本系统,智能手机终端可以方便的监控远端机器人所在的家居环境,可以随时查看机器人端摄像头采集的家居环境中的视频信息以及温湿度等传感数据。ANDROID智能手机端可与机器人端进行视频交互,并操控机器人基本行动。因此,本系统实现了应用一部ANDROID智能手机即可完成对远程家用机器人的控制的目的。212ANDROID智能手机客户端需求分析由于近年来人们生活水平的不断提高,生活节奏迅速提升,很多的老人、幼者被搁置家中,没有人照顾其次,用户对家居环境越来越重视,使得家用机器人被更多的家庭认可。而好的机器人操作软件是机器人控制系统的核心。具有ANDROID操作系统的移动设备有很强的系统互动功能,另外其系统的较强的与互联网的互动方式使得ANDROID智能手机应用平台的竞争中占据了明显的优势。伴随着科学技术的迅速发展和3G通信遍布范围曾广,使用一部智能手机实现对家用机器人的远程控制,越来越符合忙碌的手机用户们的需要。基于ANDROID系统的智能手机控制平台,是为了满足手机对远端机器人进行远程实时操作而设计的。其主要的控制功能分为四个单元具体实现。其中包括智能手机端登录模块、机器人客户端实时视频显示模块、环境温湿度数据显示模块和机器人行动控制模块。ANDROID智能手机客户端用例子图如图22所示。9哈尔滨工业大学工程硕士学位论文输入个人IP输入登录密码手机控制界面温度显示家居环境传感器数据显示湿度显示手机远程控制端软件实时视频显示实时视频播放智能手机客户端控制机器人常规运动机器人行动控制图22ANDROID智能手机客户端用例子图控制登陆智能手机端客户通过此模块进入登陆系统。手机用户通过输入登陆密码进入远程控制系统。家居环境传感数据显示模块显示机器人通过自身传感器收集的环境中的实时温湿度。实时视频模块此界面可以让手机与远端机器人建立实时通讯的视频通道,机器人端设置的高清摄像头采集的实时视频通过网络传输到手机端,手机端通过此界面就可以显示远端视频信息,实现了手机对机器人的远程监控。机器人行动控制模块通过此模块实现智能手机对家用机器人的行动控制。即通过手机向远端机器人发送预先设定的控制指令,即可实现控制机器人的常规运动。213家用机器人服务器端需求分析普通的机器人一般是面向工业设计的,单独应用在家庭中的机器人种类较少,且操控不便。本课题涉及的家用机器人属于移动机器人范畴,具有自主移动平台和一定的智能性。由于人们往往希望通过最简单、最直接的方式来完成与机器人之间的互动,基于此,本文设计并开发了基于智能手机的家用机器人10哈尔滨工业大学工程硕士学位论文远程控制系统。本系统是一个双向通信系统,它将远方手机端交付给机器人端的控制指令传输给家用机器人服务器端的通信控制单元。同时,家用机器人服务器端通过调用摄像头和传感器将采集到的实时视频及环境监测数据等反馈信息传送给智能手机端的用户。从整个控制系统来看,机器人端的通信控制单元和视频采集传输单元为整个控制系统的信息传递提供了优良的数据传输的通道,可以将信息传递到智能手机客户端和机器人服务器端的模块。由于本系统的结构设计是C/S,因此系统在机器人服务器端设计的软件包括四部分机器人运动控制单元、视频采集传输单元、环境数据采集单元、通信控制单元。其中机器人行动控制单元通过串口实现与下位机通讯,控制机器人基本常规行动。家用机器人服务器端用例子图如图23所示。图23家用机器人服务器端用例子图环境数据采集单元应用传感器监测机器人所在的环境中的温度、湿度。视频采集传输单元网络摄像头采集家用机器人端的视频并进行实时视频的压缩,并将处理后的数据传送到网络上。通信控制单元接收手机端传来的操作指令,然后进行处理,明确机器人要操作的对象并对其进行相关操作,其中包括运动指令和温湿度传感器控制指令。运动指令用于控制机器人常规行动传感器控制指令可以用于采集温湿度等数据。以上就是该系统的需求分析,下面根据客户需要对系统进行详细的非功能性需求分析。系统的非功能性需求系统能够完成上述需求分析中满足用户的基本功能11哈尔滨工业大学工程硕士学位论文外,从客户的实际应用角度以及整个系统的适用程度和使用该系统的范围程度出发来考虑,该系统应尽可能满足如下非功能性需求1提供完善的用户密码登陆功能,保障系统的安全使用。2系统使用方便简捷,能快速完成任务。3能够在有效的时间内实现实时视频的传输与播放。22系统的总体结构设计系统的总体设计是一个系统实现的基础和系统的骨架,因此系统的总体构的设计有着重要的作用,本节将对该系统的体系结构和开发平台进行描述。221智能手机控制机器人系统总体结构设计本文的研究重点是在于建立面向家用机器人应用的智能手机端控制系统。手机远程控制机器人系统中,基于行为的智能控制体系能够良好的解决实时性问题。而如何协调智能手机端对机器人的实时控制是系统要考虑的最主要问题2529。总体系统结构如图24所示。图24ANDROID智能手机的远程控制机器人总体系统结构图系统根据两个原则进行设计,首先,智能手机通过网络实时控制机器人,令其尽可能地根据手机指令完成用户需求其次,机器人在受控工作的过程中要保证自身的安全。基于上述考虑本文提出了一种基于ANDROID智能手机的远12哈尔滨工业大学工程硕士学位论文程控制机器人系统。智能手机远程控制机器人系统从上至下共划分为远程人机交互层、行为序列评估层、机器人规划层以及机器人行为层共四个层次。其中,规划层主要负责机器人的全局策略并接收智能手机网络控制端的指令,同时,规划层也控制机器人的方位和姿势并规划其后续动作。机器人端行为层可根据规划层下发的指令执行相应的行为。行为层分为反射层和反应层,前者对紧急事件做出行为反应,如火灾报警、紧急停止等。反应层行为包括超声波避障、目标导向等。如由于行为层与外界环境相通,外界环境的刺激同样触发机器人做出相应的行为。当远端智能手机对机器人发出控制命令后,机器人即可根据接收到的指令做出相应反应。同时,机器人本体也可以接收直接从规划层发来的控制信号而产生行为动作。222智能手机远程控制机器人系统软件逻辑架构本课题设计了ANDROID智能手机在远程条件下对与家用机器人的控制系统软件。系统通过在3G网络环境下建立智能手机与机器人之间的数据和视频通道,最终实现手机远程控制机器人的目的。根据系统的不同特点,系统的体系结构多样。本系统的结构设计中,使用了经典的三层架构模式,使得系统的数据和逻辑分开,使系统使用更方便。智能手机远程控制系统逻辑架构如图25所示。1界面表示层提供应用程序的用户界面。ANDROID智能手机端的操作界面和机器人端的触屏操作界面即是表示层的体现。表示层是系统与用户沟通的惟一渠道充分展现了系统的各项功能。2业务逻辑层整个系统的主要业务逻辑都在本层详细体现。本论文中设计的主要业务主要体现在通过ANDROID智能手机实现对机器人的远程控制。ANDROID智能手机端封装了系统需要处理的业务逻辑,业务层的设计与开发是控制系统的核心,主要将围绕系统需求分析制定的业务逻辑进行封装以供表示层调用。智能手机终端系统可实现的控制功能有手机远程控制登陆功能、家居环境温湿度传感数据监测功能、家用机器人端远程实时视频显示功能和远程控制家用机器人基本行动的功能。13哈尔滨工业大学工程硕士学位论文界面表业务逻辑层数据信息层示层手机机温度数据器系统配置手机登陆端用人用户端户界实家居环境家居环境面时湿度数据温度监测湿度监测交视频互机接显器智能手机控制机器人行动口示实时视频人端用户声音家用机器人下位机图25智能手机远程控制系统逻辑架构图3数据信息层提供对外部环境提供的数据进行访问。系统中的硬件设备采集的环境数据信息主要包括机器人端摄像头采集的实时视频数据以及传感器对温湿度进行监测并收集的数据信息等。223系统总体流程图智能手机端发送查看家居环境传感数据指令,机器人端进行指令解析并调用相应的传感器进行数据采集,通过网络将数据发送至手机用户端。其中智能手机远程控制机器人系统的操作执行图如图26所示。机器人端的视频采集与传输单元是整个系统的重要部分,当机器人获取实时视频采集指令后,它将摄像头采集到的原始模拟信号转换为数字信号,并对视频数据进行编码压缩,最后通过INTERNET将压缩后数据传送至智能手机客户端。手机端经过基于智能手机的视频解码技术将压缩后的视频解压并显现。机器人端解析智能手机端的行动控制请求,通过串口向行动部件发出运动指令,用以控制机器人的“前”、“后”、“左”、“右”四个方向的运动。家用机器人内置特定的传感器,执行手机端的运动控制指令。14哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图26智能手机远程控制机器人系统的操作执行图23系统开发运行平台通过分析选择和开发该系统的使用语言要求,本系统采用的开发平台如下所示。231智能手机端程序开发平台智能手机端应用ANDROID操作系统进行开发。ANDROID系统最初是由ANDYRUBIN开发研制。ANDROID的原意是指“机器人”。GOOGLE在2005年收购“ANDROIDLNC”,开始对ANDROID系统进行开发。继而于2007年GOOGLE联合开放手持设备联盟,正式对外宣布基于LINUX开放性内核的开源手机操作系统ANDROID。ANDROID系统采用了软件叠层的架构,分为四个层。从高到低分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和LINUX核心层,其结构图如图27所示。15哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图27ANDROID平台体系架构图1应用程序层本层是放置应用程序的层,由运行在ANDROIDDALVIK虚拟机上的应用程序构成。ANDROID平台发布时带有的必要核心应用程序如短信、地图、浏览器等以及开发者想要实现的各种应用都在层此实现。用户可根据ANDROID平台上提供的2D、3D的图形支持、数据库支持,集成浏览器开发出各式各样的应用程序。在本层上主要应用JAVA语言调用ANDROID的API接口来实现应用程序的开发。