摘 要

　　近年來(lái)，機器人在工業(yè)領(lǐng)域上的應用已經(jīng)變得日臻成熟與廣泛，而且隨著(zhù)人們生活水平的提高，如何能讓機器人走進(jìn)我們人類(lèi)的日常生活進(jìn)而提高人們的生活質(zhì)量已經(jīng)成為機器人領(lǐng)域中的一個(gè)熱門(mén)研究方向。與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展不僅極大的改善了人與人之間溝通的效率和速度，而且也使物聯(lián)網(wǎng)的概念變得更加火熱，人們日趨希望能夠通過(guò)自己的移動(dòng)終端，譬如：手機、平板等設備來(lái)實(shí)現對自己家中物品的控制。因此建立一個(gè)高效、穩定的移動(dòng)機器人的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統具有深遠的意義。

　　現有關(guān)于移動(dòng)機器人的研究中，很多通信模塊均采用藍牙、Zigbee 等硬件，這無(wú)疑極大地限制了移動(dòng)機器人的應用范圍及應用方式。本文通過(guò)對路由器模塊的引用，使得用戶(hù)能夠不僅僅在家中，更能在工作場(chǎng)所等其他區域通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現對移動(dòng)機器人的控制，極大地提高了用戶(hù)體驗。同時(shí)，本文采用的 ARM 控制芯片 STM32 較傳統單片機芯片在數據處理的數量及速度方面都有了較大的提高和改善。

　　基于以上幾點(diǎn)，本文通過(guò)在無(wú)線(xiàn)路由器上移植小型的 Linux 系統 OpenWrt，搭建了移動(dòng)機器人的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統，并通過(guò)該控制系統實(shí)現了上位機對移動(dòng)機器人的控制。另外，針對上位機中采集的圖像顯示不清晰、視頻播放不流暢等問(wèn)題引入了新的視頻壓縮算法，并引入了 SurfaceView 機制，進(jìn)而使上述問(wèn)題得到了明顯的改善。本課題的研究采用先硬件后軟件、先下位后上位、先易后難、先部分后整體的循序漸進(jìn)方法：

　　1）下位機部分：首先，硬件方面：對 STM32 以及紅外傳感器、舵機等外加模塊的硬件原理圖進(jìn)行分析總結，熟悉其工作原理和控制方法；其次，軟件方面：

　　完成移動(dòng)機器人 ARM 部分控制程序的編寫(xiě)和調試。

　　2）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制部分：首先，硬件方面：對 TP-Link WR703N 模塊的硬件原理圖進(jìn)行分析總結，熟悉其工作原理和控制方法；其次，軟件方面：熟悉 Linux內核中 WiFi 模塊和視頻等模塊的實(shí)現機制，完成 OpenWrt 系統的燒寫(xiě)和配置。

　　3）上位機部分：Android 控制程序采用先部分，后整體的思路：首先，依次完成 UI 界面、Wi-Fi 模塊、通信模塊、功能模塊、改進(jìn)算法模塊、視頻處理等模塊的程序的編寫(xiě)，最后完成整體程序的結合與調試。

　　4）搭建整個(gè)移動(dòng)監控機器人的硬件平臺，編譯并燒寫(xiě)程序到 STM32 和路由器中，調試各個(gè)模塊，實(shí)現其對應功能。

　　關(guān)鍵詞：路由器；移動(dòng)機器人；OpenWrt；Android；視頻壓縮算法；SurfaceView

Abstract

　　In recent years, the application of robots has become more mature and extensive in the industrial field, and with the improvement of people's living standards, how we bring the robot into our daily life and improve people's quality of life has become a popular research direction of the field of robot. In the meantime, the rapid development of Internet has not only greatly improved the efficiency and speed of communication between people, but also made the concept of Internet of Things more heated; people increasingly hope that through their own mobile terminals, such as: mobile phones, tablet and other equipment, they can achieve their own control of the items at home. So the establishment of an efficient and stable wireless network control system of mobile robot has far-reaching significance.

　　Such hardware as Bluetooth and Zigbee are used in many communication modules in the existing studies on mobile robot, which undoubtedly greatly limits the application scope and application modes of mobile robots. This paper, through the introduction of router module, helps users to realize their control to mobile robot not only at home but also in workplace and some other areas via the Internet, so as to greatly improve user experience. Meanwhile, the ARM control chip STM32 adopted in this paper has significantly perfected and improved the quantity and speed of data processing compared to traditional single chip.

　　Based on the statements above, in this paper, Small Linux system OpenWrt is transplanted onto the wireless router, mobile robot wireless network control system is erected, and the host computer realizes the control of mobile robot based on this system. In addition, new Video Compression Algorithm is introduced directed against the problems of blurring images and non-fluent video play collected into the host computer. The SurfaceView mechanism is also introduced, and the above problems have been obviously improved consequently. The step by step research methods adopted for this subject are as such, hardware first and software last, host computer first and slave computer last, easiness first and difficulty last, and part first and whole last.

　　1) Slave computer: First, hardware: analyze and summarize the hardware schematic diagrams of external modules such as STM32, infrared sensor, and steering gear, and get familiar with their working principle and control method. Second, software: complete the control programming and debugging of ARM part of mobile robot.

　　2) Wireless network control: First, hardware: analyze and summarize the hardware schematic diagrams of TP-Link WR703N module, and get familiar with its working principle and control method. Second, software: get familiar with the realization mechanism of WiFi, video and other modules in Linux kernel, and complete the programming and configuration of OpenWrt system.

　　3) Host computer: Android control program follows the idea of part first and whole last: First, complete the programming of UI interface, Wi-Fi module, communication module, function module, improved algorithm module, video processing module, etc…And complete the integration and debugging of overall program at last.

　　4) Set up the hardware platform for the entire mobile monitoring robot, compile and edit and complete the programming into STM32 and the router, debug every module, and achieve the corresponding functions.

　　Keywords: Router; Mobile robot; OpenWrt; Android; Video compression algorithm;SurfaceView

　　基于以上分析以及移動(dòng)機器人在生產(chǎn)生活實(shí)踐中存在的若干問(wèn)題本文提出了基于 Linux 的移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統，該系統在極大的提高了移動(dòng)機器人信息采集質(zhì)量的同時(shí)也極大的提高了信息的傳輸速度與效率。與此同時(shí)，新算法的引用使得上位機反饋給用戶(hù)信息的質(zhì)量得到了極大的提升，進(jìn)而提高了客戶(hù)的用戶(hù)體驗。

　　全文主要內容及結構安排如下：

　　第 1 章首先簡(jiǎn)單介紹了課題的研究背景及意義；然后結合本文研究?jì)热莘謩e從移動(dòng)機器人、移動(dòng)機器人的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統及 Android 上位機對移動(dòng)機器人的控制等方面，就當前的研究現狀做了較為全面的總結；隨后對本文的主要內容及結構安排做了簡(jiǎn)要的闡述。

　　第 2 章主要對下位機即 STM32 及其外圍硬件的工作原理及其軟件編程做了詳細的闡述。在本章中，首先對 STM32 的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建做了較為詳細的說(shuō)明。其次，本章對移動(dòng)機器人的主控模塊電路的設計進(jìn)行了分析。最后，本章對超聲波模塊、紅外傳感器模塊、OLED 顯示屏模塊、L298N 控制的直流電動(dòng)機及 SG90 舵機等外圍傳感器模塊的工作原理及實(shí)現流程進(jìn)行了較為細致的說(shuō)明。

　　第 3 章是后面幾章分析的基礎，本章首先對開(kāi)發(fā)移動(dòng)機器人所涉及的開(kāi)發(fā)環(huán)境做了簡(jiǎn)要的介紹，同時(shí)對整個(gè)系統所涉及的開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建做了簡(jiǎn)要的介紹。

　　其次，本章對移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統中的核心即 OpenWrt 的開(kāi)發(fā)及其配置方法做了詳細的說(shuō)明。最后本章對移動(dòng)機器人整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統的搭建及其調試進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

　　第4章主要是針對Android的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了較為詳細的說(shuō)明。本章首先對Android應用程序開(kāi)發(fā)的框架及其主要流程做了簡(jiǎn)要的闡述。其次，本章對Android上位機中主要的功能模塊：WIFI資源的獲取、SOCKET方法的使用、功能模塊及UI界面的設計的代碼進(jìn)行了編譯及說(shuō)明。

　　第 5 章則是在第 4 章的基礎上引入了一些改善算法進(jìn)而提高了上位機對圖片及視頻的處理能力，極大的提高了移動(dòng)機器人的用戶(hù)體驗。本章首先對 MJPEG壓縮算法的運行原理及其實(shí)現做了較為詳盡的闡述。隨后，本章對傳統的 View機制的工作原理及 SurfaceView 機制的工作原理及其實(shí)現流程做了簡(jiǎn)要的對比并進(jìn)一步闡述了引入新方法的優(yōu)越性。

　　最后對全文的主要研究工作及其實(shí)現方法進(jìn)行了歸納總結，并對今后需要進(jìn)一步深入開(kāi)展的研究工作進(jìn)行了展望。

　　移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統界面設計：

菜單界面

WIFI 界面

設置界面圖

瀏覽界面

開(kāi)始界面

目 錄

　　目 錄
　　摘 要
　　Abstract
　　插圖索引
　　第 1 章 緒 論
　　　　1.1 研究背景及意義
　　　　1.2 移動(dòng)機器人及其控制系統的國內外研究概述
　　　　　　1.2.1 國內外關(guān)于移動(dòng)機器人的研究
　　　　　　1.2.2 移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統的研究
　　　　　　1.2.3 智能終端與移動(dòng)機器人相互結合的研究
　　　　1.3 論文主要內容及結構
　　　　1.4 本章小結
　　第 2 章 基于 STM32 的移動(dòng)機器人控制系統的設計
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建
　　　　　　2.2.1 STM32CUBEMX 開(kāi)發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)介及其搭建
　　　　　　2.2.2 RealView 開(kāi)發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)介及其搭建
　　　　2.3 移動(dòng)機器人主控模塊硬件電路的設計及軟件實(shí)現
　　　　2.4 移動(dòng)機器人外圍傳感器等硬件模塊的工作原理及其軟件實(shí)現
　　　　　　2.4.1 超聲波傳感器工作原理及其實(shí)現流程
　　　　　　2.4.2 紅外傳感器的工作原理及其實(shí)現流程
　　　　　　2.4.3 OLED 顯示屏的工作原理及實(shí)現流程
　　　　　　2.4.4 L298N 驅動(dòng)的直流電動(dòng)機和 SG90 舵機的工作原理及實(shí)現流程
　　　　2.5 本章小結
　　第 3 章 移動(dòng)機器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統的設計
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建
　　　　3.3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統硬件模塊的選取及分析
　　　　3.4 OpenWrt 的開(kāi)發(fā)及其配置
　　　　　　3.4.1 OpenWrt 的源碼編譯及其功能的基本配置
　　　　　　3.4.2 mipg streamer 軟件的工作原理及其功能實(shí)現
　　　　　　3.4.3 ser2net 軟件的工作原理及其功能實(shí)現
　　　　3.5 本章小結
　　第 4 章 移動(dòng)機器人智能控制終端的設計
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建
　　　　4.3 Android 應用程序開(kāi)發(fā)的框架及其流程
　　　　4.4 Android 主要功能模塊代碼的分析
　　　　　　4.4.1 WIFI 資源的獲取
　　　　　　4.4.2 Socket 方法的使用
　　　　　　4.4.3 功能模塊
　　　　　　4.4.4 UI 界面的設計
　　　　4.5 本章小結
　　第 5 章 改進(jìn)的 MJPEG 壓縮算法及 SurfaceView 機制的研究
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 改進(jìn)的 MJPEG 壓縮算法的運行原理及其實(shí)現
　　　　5.3 SurfaceView 機制的運行原理及其實(shí)現
　　　　　　5.3.1 View 機制的工作原理及其實(shí)現流程
　　　　　　5.3.2 SurfaceView 機制的工作原理及實(shí)現流程
　　　　5.4 本章小結
　　結論與展望
　　參考文獻
　　致謝

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