摘  要： 針對仿人機(jī)器人的人機(jī)交互問題，提出在無線網(wǎng)絡(luò)下，使用智能手機(jī)對配備有攝像頭的仿人機(jī)器人進(jìn)行視頻監(jiān)控?；贚inux系統(tǒng)，使用V4L2接口對攝像頭視頻信息進(jìn)行采集，并使用JPEG算法對其進(jìn)行壓縮，使用智能手機(jī)的Web瀏覽器顯示視頻信息，并通過瀏覽器頁面的按鈕向機(jī)器人發(fā)送控制命令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無線局域網(wǎng)內(nèi)，仿人機(jī)器人攝像頭拍攝到的視頻信息可以清晰、穩(wěn)定、及時(shí)地傳輸?shù)讲煌到y(tǒng)和品牌的智能手機(jī)Web瀏覽器上，用戶可根據(jù)需要向仿人機(jī)器人發(fā)送控制命令，操作方便簡單，便于使用。

　　關(guān)鍵詞： 仿人機(jī)器人；Wi-Fi技術(shù)；智能手機(jī)；Web瀏覽器；視頻監(jiān)控

　　第一臺仿人機(jī)器人WABOT-1誕生以來，經(jīng)過了40年的發(fā)展，仿人機(jī)器人已成為一個(gè)融合多門學(xué)科的高難度研究方向，也是各類新型控制理論和工程技術(shù)的研究平臺[1-2]。

　　從最初的工業(yè)機(jī)器人完全按照人類的指令進(jìn)行工作，到現(xiàn)代具有較高智能的仿人機(jī)器人自主地融入人們的工作和生活，為實(shí)現(xiàn)成為人類的伙伴、與人類共存的目標(biāo)，仿人機(jī)器人的交互功能和技術(shù)始終是機(jī)器人發(fā)展中的重點(diǎn)[3-4]。

　　在人機(jī)交互設(shè)備這一領(lǐng)域已有許多研究手持設(shè)備控制機(jī)器人的文獻(xiàn)，多數(shù)為專業(yè)的手持控制設(shè)備來操控小車機(jī)器人的移動(dòng)，手持設(shè)備較專業(yè)，且不普遍，控制對象也較簡單，智能化程度較低。而智能化程度較高的系統(tǒng)需要高精度的傳感器設(shè)備以及多臺計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器協(xié)調(diào)控制[5-7]。

　　綜合上述研究現(xiàn)況，結(jié)合目前大家普遍使用的智能手機(jī)，為加快仿人機(jī)器人走入人們的生活，本文提出使用智能手機(jī)作為手持設(shè)備與仿人機(jī)器人進(jìn)行通信。結(jié)合參考文獻(xiàn)[8-10]，決定采用Web瀏覽器進(jìn)行視頻監(jiān)控，可以最大限度地降低操作難度，實(shí)現(xiàn)真正意義上的跨平臺通信，可廣泛地應(yīng)用在各種場合中 。

　　由參考文獻(xiàn)[11-13]可知，傳統(tǒng)的機(jī)器人研究通常使用CAN總線、網(wǎng)絡(luò)線等易兼容的連接線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的有線連接通信，但使用有線連接是仿人機(jī)器人走入人們?nèi)粘Ｉ畹囊淮笞璧K。無線AP（Access Point）數(shù)量的迅猛增長、低廉的價(jià)格以及無線網(wǎng)絡(luò)的方便與高效使Wi-Fi（Wireless Fidelity）技術(shù)得到了迅速的普及。在一定范圍內(nèi)，可以使用無線連接將仿人機(jī)器人與智能手機(jī)組建在同一個(gè)無線局域網(wǎng)中。該方法有利于降低成本，減小操作難度。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　仿人機(jī)器人是體系結(jié)構(gòu)中非常重要的一部分，本文采用DARwin-OP、1.6 GHz Intel Atom系列主板、Linux內(nèi)核的Ubuntu9.10操作系統(tǒng)、自帶高清網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)聚焦的USB攝像頭(最大幀數(shù)為30幀)。Wi-Fi模塊支持802.11b/g/n，速率高達(dá)150 Mb/s，工作頻率為2.4 GHz智能手機(jī)。需具有無線Wi-Fi連接功能且含Web瀏覽器。

　　通過無線路由器，將仿人機(jī)器人與智能手機(jī)組建在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)。系統(tǒng)構(gòu)成的主要部件如圖1所示。

　　仿人機(jī)器人與智能手機(jī)接入同一局域網(wǎng)，攝像頭將采集到的視頻信息通過無線局域網(wǎng)傳送到手機(jī)，手機(jī)也能將控制命令傳輸?shù)綑C(jī)器人。

　　圖2是仿人Darwin機(jī)器人和智能手機(jī)間視頻傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖。

　　攝像頭對視頻進(jìn)行采集，采集后的圖片經(jīng)壓縮后通過Wi-Fi無線傳輸模塊傳送到智能手機(jī)端，由手機(jī)的Web瀏覽器顯示視頻。這樣用戶就可以在手機(jī)的瀏覽器上通過訪問機(jī)器人的IP打開視頻圖像進(jìn)行監(jiān)控，也可通過瀏覽器頁面按鈕操作將控制命令傳輸?shù)綑C(jī)器人端，對機(jī)器人進(jìn)行控制。

　　Darwin機(jī)器人的攝像頭對視頻進(jìn)行采集，采集后的圖片經(jīng)壓縮后通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊經(jīng)由無線路由傳送到智能手機(jī)視頻接收模塊，由手機(jī)的Web瀏覽器顯示視頻，用戶就可以在手機(jī)的瀏覽器上通過訪問機(jī)器人的IP打開視頻圖像進(jìn)行監(jiān)控。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 視頻采集

　　攝像頭視頻采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是視頻監(jiān)控應(yīng)用程序中比較關(guān)鍵的部分，在Linux下采用V4L2(Video For Linux two)對視頻進(jìn)行采集。V4L2是 Linux系統(tǒng)下視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口規(guī)范[10]，為上層應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對視頻設(shè)備的操作，進(jìn)而完成視頻圖像的采集。

　　V4L2對設(shè)備文件的操作方法簡單直觀，表1中的函數(shù)可以在應(yīng)用程序中直接調(diào)用，功能如下：V4L2接口提供兩種方式進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，一種是 read直接讀取方式，這種方式使用較為方便，但占用大量的用戶內(nèi)存空間；另一種是mmap內(nèi)存映射方式，將申請到的內(nèi)核緩沖區(qū)地址通過mmap函數(shù)映射到用戶空間，可以直接對內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種方式簡潔有效，故本文采用第二種內(nèi)存映射方式。

　　2.2 視頻處理

　　與傳統(tǒng)的單幀圖片傳輸相比，視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題是視頻圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大，需要對采集的原始圖像進(jìn)行壓縮。目前圖像壓縮方法比較成熟的是JPEG或MPEG技術(shù)。

　　原理上這兩種編碼方式基本相同，JPEG針對單獨(dú)的圖像圖片進(jìn)行處理，而MPEG則利用了圖像序列間的相似性技巧，使MPEG的整體壓縮倍率要優(yōu)于JPEG。但考慮到傳輸信道鏈路特點(diǎn)，JPEG一次誤碼最多損失圖像序列中的一幅，而MPEG將導(dǎo)致后續(xù)的多幅幀間編碼序列無法復(fù)現(xiàn)，所以，根據(jù)系統(tǒng)的可靠性需求，JPEG成為優(yōu)選方案。

　　圖3是Darwin-OP的編程-框架數(shù)據(jù)流示意圖，分別是視覺部分與動(dòng)作部分。

　　視覺處理模塊LinuxCamera類包含V4L2接口程序，完成對攝像頭進(jìn)行設(shè)置以及圖片的存儲和處理。其中，LinuxCamera類、MinIni類讀取設(shè)置值；Mjpg_steamer類確認(rèn)圖像，主要是將由攝像頭端采集而來的YUYV格式的圖片，經(jīng)mjpg_streamer使用JPEG壓縮算法將圖片處理后轉(zhuǎn)換為jpeg圖片。部分代碼如下：

　　minIni *ini = new minIni(INI_FILE_PATH)；

　　LinuxCamera::GetInstance()->Initialize(0)；

　　LinuxCamera::GetInstance()->LoadINISettings(ini)；

　　mjpg_steamer *streamer = new mjpg_streamer(Camera::WIDTH，

　　Camera::HEIGHT)；

　　2.3 視頻傳輸與顯示

　　mjpg_streamer可以把經(jīng)過視頻壓縮后得到的jpeg圖片以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器。視頻服務(wù)器首先基于TCP協(xié)議建立Socket連接，監(jiān)聽、接收客戶端請求，再進(jìn)行分析請求、響應(yīng)請求等操作。

　　視頻服務(wù)器建立TCP Socket套接字、bind綁定端口后，listen開始監(jiān)聽，收到客戶端的連接請求后，保存相應(yīng)信息并進(jìn)行分析，給出相應(yīng)處理或發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　瀏覽器通過監(jiān)控設(shè)備的IP地址打開視頻監(jiān)控網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

　　LinuxCamera類允許在Web瀏覽器端捕捉到mjpg_streamer流的幀，代碼如下：

　　while(1)

　　{

　　LinuxCamera::GetInstance()->CaptureFrame();

　　streamer->send_image(LinuxCamera::GetInstance()->

　　fbuffer->m_YUVFrame);

　　}

　　2.4 控制命令的實(shí)現(xiàn)

　　視頻傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)瀏覽器后，用戶可以根據(jù)視頻情況對機(jī)器人進(jìn)行操作。首先使用動(dòng)作編輯軟件action_editor對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作編寫，將編寫好的動(dòng)作存放在任務(wù)表中，瀏覽器頁面上用按鈕顯示相應(yīng)功能鍵。

　　控制命令主要通過調(diào)用system函數(shù)實(shí)現(xiàn)，函數(shù)的具體形式為system(const char *cmdstr)，其中cmdstr為字符串類型的輸入?yún)?shù)。system()先調(diào)用fork()函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)子進(jìn)程，然后通過這個(gè)子進(jìn)程調(diào)用“/bin/sh-cmdstr”來執(zhí)行參數(shù)cmdstr字符串所代表的命令。動(dòng)作編輯完成后可以通過函數(shù)對動(dòng)作頁進(jìn)行調(diào)用，具體實(shí)現(xiàn)過程為：加載動(dòng)作；構(gòu)建LinuxCM730和CM730類以及對Motion類進(jìn)行初始化和注冊Action類；對LinuxManagerTimer進(jìn)行初始化和讓MotionManager使能；執(zhí)行動(dòng)作頁。

　　表2所示為任務(wù)表中編寫的基本動(dòng)作。用戶即可通過頁面按鈕操作機(jī)器人的動(dòng)作。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)使用Android的LenovoA298t手機(jī)、UC瀏覽器、火狐瀏覽器、小米1s UC瀏覽器和iphone 4s safari瀏覽器。

　　圖4給出的是通過機(jī)器人頭部攝像頭拍攝到的畫面通過無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)端的畫面實(shí)況。

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，視頻信息從攝像頭正常地傳輸?shù)教O果、小米和聯(lián)想不同品牌的智能手機(jī)，能在Android和IOS不同系統(tǒng)智能手機(jī)通過以上幾款不同的Web瀏覽器打開，視頻信息穩(wěn)定；根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求，可以通過手機(jī)控制機(jī)器人向前、向后、向左和向右4個(gè)方向的移動(dòng)，便于機(jī)器人在不同的位置對實(shí)驗(yàn)室鍋爐設(shè)備進(jìn)行察看；頭部上下左右移動(dòng)，可改變觀察時(shí)的角度，使機(jī)器人更全面、更清晰地察看實(shí)驗(yàn)狀況，最大限度地提供盡量多的信息供用戶使用。

　　經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，由圖5可知，通過手機(jī)向機(jī)器人發(fā)送頭部向上移動(dòng)的命令到手機(jī)端接收到的視頻圖像發(fā)生變化的平均響應(yīng)時(shí)間為2.1 s，比在計(jì)算機(jī)上接收視頻的平均響應(yīng)時(shí)間1.5 s稍有延遲。但由于手機(jī)的便攜性更強(qiáng)，在日常生活的使用中，該延時(shí)還是可以接受的，與計(jì)算機(jī)相比有不可替代的優(yōu)勢。

　　本文主要研究的是仿人機(jī)器人與智能手機(jī)之間運(yùn)用Wi-Fi進(jìn)行無線視頻傳輸，視頻傳輸成功后就像給了用戶一個(gè)遠(yuǎn)程的眼睛，用戶只要拿著手機(jī)就能看到機(jī)器人能看到的范圍，該組合使其整個(gè)系統(tǒng)既新穎又易讓人接受，加速了仿人機(jī)器人走入人們的日常工作和生活中。

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