1、 I 学号 年级 本科毕业论文 基于 WiFi 的多功能搜救机器人软件设计 专 业 自动化 姓 名 指导教师 评 阅 人 年 月 II BACHELORS DEGREE THESIS OF HOHAIUNIVERSITY Multi function of search and rescue robot based on WiFi software design College ： Subject ： Name ： Directed by ： III 摘 要 当 灾害发生 后， 受灾 地区环境 十分 复杂， 潜在 的危险极大， 例如地震 后的危楼， 火灾 现场 等等 ，一些狭小区域的 救援 工
2、作更是 难 上 加 难 。 复杂 环境 下，温度，湿度 ， 空气中 氧气 和 有毒 气体 的含量都是 被困 人员能否 生存 下来的 决定性因素 ，也是救援人员制定 救援计划 的 关键 信息。 另外 在 搜救 过程中 人手 十分 有限 ， 危险或 狭窄地区的作业 更 需要 机器人来 完成 ， 这样 才能有效 地 保证救援人员 的 安全和救援 任务 的顺利 进行 。 本文 描述的 基于 WiFi的多功能 搜救机器人 搭载 具有 开源 OpenWrt 的 Linux 操作系统 的 无线 路由 器 ， 通过 Mjpg-Streamer 图像压缩技术和 Ser2net 的网络串口协议， 辅以 STC89
3、S52 单片机 可以 将网络 摄像头拍摄 的实时视频 和传感器 采集 的环境变量 参数 传回控制端 。 控制端 由 Visual Studio C#编写 的 PC 上位机 和 JavaScript 编写 的 移动 控制端组成， 可以显示图像并 记录 数据， 通过 方便 的图形化界面， 救援人员可以轻松的 连 接路由器的 WiFi局域网，获取各种数据，并使用上位机 发送 命令控制机器人的行动 ，这可以 极大降低救援工作的危险性 ， 提高救援 的 成功率，为被困人员带来生的希望。 关键词： 搜救 机器人 ； WiFi技术 ； OpenWrt 系统； 视频 传输；数据传输 ； IV ABSTRACT
4、 After the disaster, the affected area is more complex, the latent danger, for example the ruins after the earthquake, the scene of the fire and so on, some rescue work of small area is even more difficult. Under the complex environment, temperature, humidity, content of oxygen and toxic gases in th
5、e air are the decisive factors which decide whether trapped personnel can survive or not and also the key information to make plans for the rescue workers. In addition , rescue workers isnt enough in the rescuing process, its so necessary of robot to do the rescuing in dangerous or narrow area , so
6、as to ensure the safety and complete rescue task smoothly. This paper describes a search and rescue robot based on WiFi ,which equipped with a wireless router with the Linux operating system of open source OpenWrt . Through the Mjpg-Streamer image compression technology, the Ser2net network protocol
7、, and the Stc89S52 microcontroller, the robot can take real-time video of the network camera and variable parameters of environment of sensors to control terminal. The control terminal which consists of PC control terminal made by Visual Studio C# and mobile control terminal designed by JavaScript c
8、an show the image and record the data. Through the convenient graphical interface, rescue personnel can easily connect to the WiFi LAN of router, access to a variety of data and use the host computer to send commands to control the robots actions, which can reduce the danger of the rescue work and i
9、mprove the rate of success , it also bring the trapped personnel with the hope of life. Key words: Search and rescue robot; WiFi technology; OpenWrt system; Video transmission; Data transmission; V 目录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题研究背景和意义 . 1 1.3 国内外搜救机器人发展现状与趋势 . 2 1
10、.4 本文的研究内容及章节安排 . 4 第 2 章 搜救机器人系统设计综述 . 6 2.1 框架结构整体设计 . 6 2.2 WiFi机器人基本原理介绍 . 8 2.3 整体设计方案的模块化分析 . 10 2.4 系统方案论证 . 13 第 3 章 系统硬件设计 . 16 3.1 下位机 硬件系统总览 . 16 3.2 主控芯片的最小系统 . 17 3.3 电源模块电路设计 . 19 3.4 蜂鸣器电路 . 20 3.5 传感器和舵机模块接口设计 . 21 第 4 章 上位机编程与实现 . 23 4.1 Mjpg-Streamer 程序设计 . 23 4.2 Mjpg-Streamer 的安装
11、和使用 . 25 4.3 V4L2 接口 . 28 4.4 Socket 编程 . 29 4.5 多线程编程 . 36 4.6 Ser2net 原理及应用 . 36 VI 4.7 Visual Studio 2010 C# 平台 . 37 4.8 上位机分层设计 . 37 第 5 章 下位机程序与系统调试 . 43 5.1 下位机编程环境介绍 . 43 5.2 上下位机通信协议 . 43 5.3 下位机分层程序设计 . 43 5.4 系统调试 . 50 5.5 本章小结 . 53 参考文献 . 55 致 谢 . 58 附 录 . 59 附一 系统整体原理图 . 59 附二 系统整体 PCB 图
12、 . 59 附三 上位机程序 . 60 毕业设计（英文翻译） . 63 河海大学本科毕业论文 1 第 1 章 绪论 本章简单介绍了课题的研究背景、研究现状和研究意义，并给出了本文实际研究的内容、方法和结果，简要介绍了每章的研究重点和所采用的方法、顺序，并以 一定 层次结构 介绍了论文的 整体脉络 。 1.1 引言 机器人（ Robot）是 根据 程序设定 自动执行 特定工作的机器装置 1。 它可以根据控制器 内部预先设定 的 程序 进行 动作也可以 按照 人的指令 执行某些 特定任务。机器人的任务是协助 或代替 人类 的工作，诸如 生产 行 业、建筑 行 业，或 极端 恶劣和 具有 危险 性
13、的工作。 在广泛 的意义里面，智能 机器 人是可以自主行动，并 能 智能地对外部信息作出反应的 机体 。 其实，这个可以完成 自动 控制 的机体 的主要构成 部件 并没有像真正的人体 结构 一般精妙 而复杂。 智能机器人 携带有 各种 各样的 环境 感测装置，可以 检测 光 ，电 ， 压力， 温度，气味 等不同的信息 。 除 了 具有 多种 感受 传感器外，它还具有 一些 效应器， 可 作为作 用于周遭 环境 的手段。这就好比 筋肉，或称 为 整步电动机，它们 能使手、脚、等 官能 部分动起来。由此 可知， 真正 意义 上 的 智能机器人至少需要满足三 个要素：感受 要素， 思考要素 和 反应
14、要素 2。 机器人 技术 的 发展 极大方便 了 现如今的 工业生产和 人们 的 日常生活 ， 对 于军工行业 的发展 也 提供 了 强 大的 助推力 3。 工厂 中不停不休 的机械手和 装配 机器人 可以 精确 地 组装零配件， 医疗 看护机器人可以 照看 病人，把病人 的 信息及时准确 地记录 并传给主治医生， 无人 飞行器机器人可以 在 战场 上 探测 敌人， 并把 精确 的 坐标 方位发送回主控中心， 消防 灭火机器人也 能在 火灾现场检测生还者的 生命 信息 。智能 机器人 将成为 人类的 福音， 在不久的将来为人类 生产生活 发挥 更大的作用。 1.2 课题研究 背景 和意义 世界
15、上很 多 地方每天都会 遭遇 自然灾害， 例如地震 多发的国家日本， 境内共有大大小小活火山 83 座 ， 占世界活火山总数的十分之一 。 据资料 显示，日本国内尚有 约 1/4 的国土 面积淹没在火山 灰 中。 1792 年 ， 日本境内发生火山爆发 ， 致使河海大学本科毕业论文 2 1.5 万人丧生； 1923 年日本关东 遭遇 大地震， 地震 夺走了 13 万人的生命 ， 国家损失惨重 4。 在中国 ， 每年 也有 不计其数 的自然 灾害 或 人为造成 的 灾难 。这些 灾难给我们造成了 沉重 的 伤害 ，同样也为 灾情预警 和紧急救援机制的完善 敲响 了警钟 。每当 危情 发生 后 ，
16、 最紧要的工作 就是搜救那些 被困 废墟 残骸 中的幸存者， 危机关头，分秒必争 ， 即便这样 ， 危险 而复杂 的灾害现场 却给救援 工作者 以及 幸存者带来 了巨大的阻碍，导致救援工作的 开展收到了影响 。鉴于此， 国外 特种搜救机器人小组成立并开展 了 相关 研究工作。 据 实验显示，在灾难救援 任务 中使用新型 的搜救机器人 应该具 有 以 下 3 个优点：可以连续执行艰难的搜索救援任务，如 几天几夜在 高温高压或者极其 严苛 的环境中执行搜救任务 ，而不会像人一样感到疲倦；可以进入 救援 人员 和搜救犬无法进入的危险地带，且 几乎 不会 引起建筑物的二次坍塌；不会受到 火焰、烟雾等危
17、险 因素的干扰 5。 最近几年 ， 为了 提高救援 的 成功率， 完善搜救 和 灾后 应急的不足， 中外 许多科研部门 都 开 展 了 大量 丰富的 研究 工作， 研制 出 了能 适应不同地形的变形机器人和飞行类空中 机器人 。 在实用价值方面， 国内外 研制 的 新 型 搜救机器人 结构 新颖、设计 独特， 采用领先 的能源管理技术，将动态电源管理超时算法运用到电源管理系统 中进行控制，有效地减少了功耗，增加 了续 航时间 ，进而 有 利于 扩大搜救 的范围 ；功能模块丰富、集成度高，而且可进行扩展或裁剪；操作简单、可靠性高。以上这些特点保证了新型 的 特种搜救机器人可有效地投入使用，迅速高
18、效地完成搜救任务。 最新式 的 救援 机器人已经将 仿生 技术， 微控 制 技术 ，传感器 检 测 技术和灾难 营救 等相关 领域 的知识有机 地 结合起来了，开辟了一个现代机器人研究的 新兴 领域。 新式 的搜救 人将 会 极大 地提高救援工作的成功率 ， 并能有效 地 降低救援工作 中 人为的 失误 ，具有 广阔 的 市场 和应用 价值。 此外 ，研究 搜救机器人所涉及的先进技术和理念 对后来的 研究具有 非常 好的借鉴价值。 从 以上 的分析 可以看出，搜救机器人必将在今 后的灾难搜救 中 发挥 不可替代的作用。 1.3 国内外 搜救 机器人发展 现状 与 趋势 20 世纪 80 年代，
19、 已经有人对将机器人应用于救援工作中进行 探讨， 但救援机器人技术的正式研究始于 1995年的日本神户 -大阪大地震， 并在 2001年的美国 9 11事件中， 救援机器人正式投入应用 6。 但需要 引起注意的是 ： 救援机器 人 目前 在操河海大学本科毕业论文 3 控形式 ，远距离 数据 传输，水下作业 和 生命探测等方面都显示出了很 多 的不足 。近年来 机器人在理论和实际应用上都取得了很大的进步。 2011 年 3 月 11 日 ， 日本9.0 级大地震及海啸引起的核污染灾害再次使机 器人引起了全球的注意， 救援机器人的研制势在必行 7。在计算机等新技术的发 展推动下，机器人的应用领域迅
20、速扩大 。 按 种类划分，机器人 也 具有多种不同的形式 ； 例如 可以 进行医疗 作业 的医用机器人，可以协助残障人士的助残机器人，可以 打扫 卫生的服务类机器人和军事用途的作战机器人，排雷机器人 等等 ，从 转移 方式上划分 又可以 分为 车轮式 ，链条式， 多 关节式等类型 8，从 搭载 的平台上划分也可以分为车载平台，仿生平台，飞行 平台等等。 近年来，世界各国对机器人的研究工作都投入了大量的人力和物力， 并取得了一定的成绩。 1.3.1 国外 研究现状 日本 是一 个多核能 和地震的国家 ， 因此日本很 早就 开始 了 搜救机器人的 设计和研 发工作 ， 自 1995 年阪神地震发生
21、后 近 10 年的 时 间内，日本在搜救 和 灾难 预警方面已经形成了完备的国家体系 9。 在 日本，东京大学的广濑教授很早 就开始了救援机器人的研究工作，并自 主创办 了 研究 工作室，他的团队致力于从仿生和机械的角度来研制多功能的救援机器人，先后研制出了 ACM， GENBU 等等 一批不同系列的 搜救 机器人，他的研究 工作 也在 仿生设计和 灾难 研究领域做出了 很大 的 贡献 10-12。 灾害 现 场救援 中 最 核心 的是确定受害者的 具体 方位 ， 所以需要 依靠 能 在 类似 瓦砾的 凹凸 而狭长 的 区域 中平稳 移动的机器人， 为此 广濑 的 团 队 专门 研制 出 了S
22、OURYU I 和 SOURYU II 型 机器人 ，针对火灾现场 ， 需要进行 输水 软管的搬运和 被困 人员生命 的 信息的 探测 等 作业， 为此 他们 又 研制出 了 水压驱动 型 多车轮机器人 GENBU I、 GENBU II 和 GENB III， 这种 机器人 以消防高压水为驱动 源，进行放水和驱动。 日本东京工业大学的 KAMEGAWA 等 研究人员 提出 了一种新型的搜救 机器人平台 方案 。 该 机器人 机身 由多节履带车 连接 而成 ， 由电机 驱动 滚轮 履带进行 移动 ，每节 机器人 均 相对独立， 能够 进入 狭 小 空间 并 完成 困难 的 搜救工作， 由于履带
23、 的辅助 作用， 地势 适应能力和抗倾覆能力也 得 到了极 大的加强 13-15。 美国对 救援机器人 的 研究开展得 比较早 ， 且 发展速度也非常的迅速 。例如南佛河海大学本科毕业论文 4 罗里达 州立大学灾难应急防控中心的 MURPHY 研究 团队就已经 开发 出了携带医用传感器的 应急 救援机器人 16， 它还拥有轮式 链条 车体， 具有 强大的 运动 能力 ，并能进行 一定 范围内的侦测，它内置的 生命 信息监测仪器还能很方便的获知幸存者的生命信息和 环境 变量参数，并可以通过 无线 进行远距离传输 17。 明尼苏达州大 学 STOETER 等研制成功了 一种特殊的机器人 SCOUT
24、， 该 机器人 可用于 多机器人并发 采集 数据 和信息交互 ， 并具有简单的传感器 模块 、运动模块和专业救援工具，该机器人外部的弹性防护轮 可以 提供牢靠 的 保护；同一所 大学的 LARSON 和其团队 还研制出 了一种既可 以进行 搜救 作业又具有 很强的 运动能力 的双臂探测机器人 TerminatorBot，它 的 肢体 关节设计 非常 巧妙 ， 此外 南加利福尼亚大学 的 SHEN 等 人还 研制出 了 一种 可 模块化 重构的搜救 机器人 CON， 它可以根据 身 处 的不同 环境 重新 组合 变身 成 为 蛇形 和六 足形 态 18-20。 1.3.2 国内 研究现状 在国内
25、 ， 一些专家 学者和研究机构 已经 逐步 意识到 了 灾难 救援机器人研制的重要性， 众多 高校和研究所 在 海滩 救援 机器人 、自主救援无人机和地面移动特种作业机器人等救援机器人技术方面 都 开展了 大 量的 研究。 我 国对搜救机器人的研究 工作虽然 开展 较 慢 ， 但 也取得了 许多 可喜 的 成绩， 自从 国家 863 项目 开始，国防部和科研院校就 已经 开始了 很多 密切的合作 ， 两千 零二 年六月 ， 上海消防 部门连通 上海交大和上海消防总局共同研制成功了履带式消防机器人 ， 并成功通过国家验收 。 同时 废墟 索引辅助救援机器人 课题 的研究也 取得 了重大突破，无人
26、 空对地 搜救 机器人 ，洞穴自主爬行搜救机器人，地 面辅助 搜救车 及智能 机器手摇臂机器人也已研制完成 21。 在 863 计划 的大力支持下， 各 大研究 机构 在水下探测机器人， 服务 机器人 ， 微 控制 机器人 和 仿生机器人 研究方面也相继取得了 众多 的进展， 在 拥有 这些自豪成绩的同时， 我 国 也培育出了 相当一批专业 型人才队伍， 某些 关键 技术也 成功跻身世界先进水平 22。 但从总体上 而言 ，与国际发达国家相比 差距 还 较大， 并且 没有形成规模 化 的 产业，自主知识产权的研究 成果 还 较少，对特种机器人 等 基本科学问题的 技术 性 研究 尚且 不足，跟踪研究 偏 多，自主创新 点 较 少 还是 现阶段存在的突出问题 。 1.4 本文的研究内容及章节安排 本文主要 针对 以下 内容 开展研究 ：
