基于树莓派的代理机器人系统

翁　硕

（1.福州大学物理与信息工程学院，福建福州　350000；2.福建省侨兴轻工学校，福建福清　350301）



基于树莓派的代理机器人系统

翁硕1，2

（1.福州大学物理与信息工程学院，福建福州350000；2.福建省侨兴轻工学校，福建福清350301）

摘要：为了弥补家庭服务从业人员的不足，解决中国的老龄化问题，本文提出了基于树莓派的代理机器人系统。该系统实现了对家居环境参数的采集，建立代理机器人与远程用户的连接，实现信息反馈和控制。

关键词：树莓派；机器人系统；网络传输

根据第6次全国人口普查数据，老龄化社会正在成为中国的现实。对老龄化国家来说，采用何种方式养老是非常重要的问题。在中国，绝大部分老年人都要通过居家养老度过自己的晚年。如果居家养老要雇佣专门的服务人员，这就会与老龄化社会劳动力紧张形成矛盾。另外由于生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子。面对这一困境，本课题设计了集保安、家居助理为一体的代理机器人进入家庭，让机器人来弥补服务从业人员的不足，为解决中国的老龄化问题做出贡献。

1　系统框架

首先根据实际需求设计总体的电路结构，划分功能模块。按照整体结构图进行硬件方面的制作，选用树莓派作为ARM主板，并安装Linux系统，如ArchLinux；为树莓派安装开发语言环境，如C（gcc）、Java（jre）；配置系统确保启动时加载相应外部组件驱动，连接WIFI，运行指定程序。而开发程序过程则包括坐标管理系统、声音、图像采集和压缩系统、感应器数据采集系统、通讯系统、驱动系统和寻路算法等。

2　硬件设计

基本硬件组成将由以下内容构成:①基于树莓派构架计算机系统，具备计算、存储、输入、输出能力。②连接摄像头和MIC满足音频视频传输，连接温湿度感应器、全像红外、和LCD显示屏等组件完成交互的需求。③连接可充电锂电池以满足能量需求。④电机驱动板L298N连接驱动轮，以满足移动的需求。⑤无线网卡、GSM模块，无线路由。

（1）树莓派。树莓派即Raspberry Pi，又称卡片式电脑，外形只有信用卡大小，它是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，卡片主板周围有两个USB接口和一个网口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能。

（2）电机驱动L298N。L298N是一款用来驱动直流电机或者步进电机的芯片，其工作电压高，工作电流大，工作电压最高可达46V，瞬间输出最大电流为3A。L298N内部集成了两个H桥式驱动器，可以很方便的驱动直流电机或者步进电机。它提供四个信号引脚以及两个使能控制端，在本系统中，四个信号控制引脚可以通过逻辑电平来控制。

3　软件设计

机器人硬件方面的设计是实现应用需求的基础，而系统的软件设计则是机器人控制系统的灵魂。本课题的软件部分可分为以下几个部分进行实现。

（1）移动控制部分。机器人的控制系统要求可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的可扩展性、硬件可裁剪性。本课题中移动控制芯片采用电机驱动芯片L298N来实现电机的运动控制。微处理器控制两边转轮的转动以达到对轮式机器人运动方向的控制。

（2）运算部分。因为视频、音频和各电机的控制需要一个具备运算能力的装置，经过多方考察比较，决定采用英文的树莓派来解决这个问题。

（3）交互部分。基于树莓派运行Linux系统，而基于该系统开发运行我们的程序，就能够实现将采集到的环境信息、视频和音频信号经软件算法运算后发送至控制方；并实现从网络接收控制方指令并解析、应用，以实现机器人的移动、转向，调整亮度等等指令。

（4）网络部分。因为双方的设备都可能有前置路由器进行了NAT（网络地址转换），致使受控和控制方无法直接建立数据连接，需要借用UPNP解决。以UDP协议传输，相对于稳定的TCP而言，UDP不必维持稳定的连接，对方可以短时间不在线（例如网络从WIFI切换到3G或WIFI信号干扰严重或拥挤）。

（5）视频传输部分。因为双方的网络可能非稳定（WI FI、GPRS），因此需要一个非流式图形协议，为此我们开展了研究，希望研制出允许数据包丢失的块式视频压缩算法，解决这个问题。

对于我们的代理机器人，在使用者都拥有更高等级的运算能力的设备中使用时，系统会自行实现JPEG算法对每帧进行独立编码并传输，这种方式能够在语音优先的环境中确保图像帧以可接受大量丢失的方式工作，类似于MotionJPEG。该方式实现的通信各端无需维持上帧数据也无需象H264那样维持关键帧，在网络不拥挤的任何时候接受到任何一帧都能够正常还原最新图像情况。

（6）音频传输部分。因为双方的网络可能非稳定（WI FI、GPRS），因此需要一个非流式音频协议，为此我们开展了研究，希望研制出一种非流式短帧音频算法或者经过多方试验得出使用G711算法，解决这个问题。能够自行实现的针对PCM语音数据的ITU- TG711语音压缩算法，G711为复杂度最低的语音压缩算法，在任一使用者存在低运算能力设备时，此算法将被系统激活。该算法拥有较高的声音质量但网络带宽占用较高，为最弱匹配算法。

4　结语

智能服务机器人进入家庭提供家庭安防、儿童娱乐教育、老人关照等多方面的服务是所有人的期望，也是公认的未来。本课题结合硬件制作和软件调试等操作制作代理机器人，满足了人们看顾和监管家里的需求，弥补了社会在代理机器人这方面的不足。

参考文献

［1］嵇鹏程，沈惠平.服务机器人的现状及其发展趋势［J］.常州大学学报（自然科学版），2001，（6）：73-78.

［2］程宁波.基于GSM和ARM的家庭服务移动机器人控制系统设计［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.

［3］孙宏宇.基于ARM的轮式机器人控制系统设计［D］.大连：大连理工大学，2013.

Surrogate Robot System Base on Raspberry Pi

WENG Shuo1，2
（1.School of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350000，China；2.Fujian QiaoXing School of Light Industry，Fuqing，Fujian 350301，China）

Abstract:In order to make up for thedificiency of domestic service workers，solve the aging problem in China，This paper introduced a surrogate robot system base on Raspberry Pi.The system achieved the collection of the parameters related to household environment，established the link between the surrogate robot and the remote users，and achieved the feedback and control of information.

Key words:Raspberry Pi；robot system；network transmission

作者简介：翁硕（1981-），女，高级讲师，主要从事嵌入式系统的研究工作。

收稿日期：2016-01-12

中图分类号：TP241

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0061-02