Control and Teleoperation of Robot Khepera via Android Mobile Device through Bluetooth and WiFi
Abstract: The paper describes the design and implementation of applications for control mobile robot.Khepera III via mobile device on the platform Android. Communication between the mobile device and the mobile robot was realized through Bluetooth and WiFi interface. The solution of robot control is capable of teleoperation, following line, avoiding obstacles, and face recognition. Application takes a photo with USB camera placed on the robot. Then, this photo is sent to a mobile device, which recognizes a face. This solution demonstrates the use of smart phone as a control unit without use of computer. Image recognition is running on smart phone with Android as the operation system.
Keywords: Khepera III, Android, Bluetooth, WiFi, mobile device, smart phone,mobile robot
1. INTRODUCTION
Imagine a mobile robot in retirement house, which distributes medicines among residents of the home. This solution needs only database of faces and medication list for each patient.Then mobile robot can deliver medication to patient directly to hand.This would facilitate the care for patients by nurses or clinical assistants. We live in the 21st century and slowly but surely robots and robotic mechanisms penetrate to engineering, automobile manufacturing, medicine, army etc.The development of robotics and information technology automatizes human work and simplifies various tasks, which eventually protects humans from dangerous work environments.
This solution has a new approach to centralized control of multi-agent system. A computer as a centralized control system can be replaced with mobile device. A mobile device is represented as a smart phone in this paper. New smart phones have similar computing power to average computer.These smart phones can send important data to cloud systems or receive it from cloud systems. The next advantage is the use of other communication interfaces like Bluetooth or GSM, because smart phone is a mobile device, whereas a computer can only use infrastructure networking, which is nowadays mostly Ethernet. This article describes two implementations of the proposed solution. The first implementation is based on Bluetooth interface and the second implementation is based on WiFi interface. Mobile application for remote control is actual topic, this topic is also involved in [5], [8] and in many other publications.
2. MOBILE ROBOT KHEPERA III
Khepera III is small mobile robot with two wheels driven by two DC motors. The main part of robot is processor dsPic 30F5011 with frequency 60 MHz. Memory RAM has 4 kB and flash memory has 66 kB with embed operating system Linux. Mobile robot (Fig. 1.) has 15 sensors:
- 8 infra-red proximity and ambient and ambient light sensors with up to 30 cm range,
- 2 infra-red ground proximity sensors for line following applications,
- 5 ultrasonic sensors with range from 20 cm to 4 m.
Fig. 1. Mobile robot Khepera III
3. PROGRAMS FOR MOBILE ROBOTS KHEPERA
This part describes design and implementation programs for mobile robot Khepera III communicating via Bluetooth and WiFi. Two different approaches were chosen. The first approach for Bluetooth communication uses one program with arguments. The second approach for WiFi communication uses more programs, this approach is more open.
3.1 Design program for mobile robot communicating via Bluetooth
Mobile robot Khepera III is a Bluetooth server, which is programmed in C. This server communicates with the mobile device in both directions. The designed program has functions for teleoperation, functions for taking pictures with USB camera placed on Khepera, and functions for grip and drop the objects using a mechanical arm (gripper). There are also functions for receiving commands from a mobile device through Bluetooth and sending photos made with Khepera into Android.
A comprehensive proposal of the entire application in mobile robots is shown in figure Fig. 2.
Fig. 2. Design flowchart of program for mobile robot
At the beginning, the program calls the initialization of Khepera. If the output is a numeric value variant from 0, then the program displays an error and the application shuts down.After successful initialization, the function invokes gripper initialization. If this function returns a value less than 0, then the program displays an error of initializing gripper, but the program will continue.
Then, the program opens port for communication via Bluetooth. If it returns a value lower than 1, it signals an error during opening the port and the program turns off. Then the application receives various commands (messages) from mobile device as program arguments, until the shutdown command. If mobile robot receives command for shutdown,then mobile robot turns off.
3.2 Program implementation for mobile robot communicating via Bluetooth
To start an integrated Bluetooth module in Khepera, the port had to be configured. Port is configured through the Vi editor directly on operating system in Khepera. This configuration is used by robot for the Bluetooth communication.
The configuration is the following:
bull;baud rate: 115 200bps,
bull;throughput: 8 data bits,
bull;parity: no parity,
bull;stop bits: one stop bit,
bull;interrupt: no hardware interrupt control.
After configuring, the Khepera is visible to other devices via Bluetooth communication. User can connect various devices with mobile robot. The function for sending data to the Android sends two parameters: the data to send and the size of this data. A function kmot_SetPoint (motor, motor speed) is used for controlling Khepera movements. The forward movement sets positive
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通过蓝牙和WiFi遥控Khepera机器人的Android移动设备
摘要：本文介绍了移动机器人控制应用的设计与实现。Khepera III是设置在Android平台上的移动设备。通过蓝牙和WiFi接口实现移动设备与移动机器人之间的通信。机器人控制的解决方案能够远程操作，跟踪线路，避免障碍物和人脸识别。应用程序使用放置在机器人上的USB摄像头拍摄照片，然后这张照片被发送到识别脸部的移动设备。该解决方案演示了如何使用智能手机作为控制单元，而无需使用计算机。图像识别正在使用Android作为操作系统的智能手机上运行。
关键词：Khepera III，安卓，蓝牙，WiFi，移动设备，智能手机，移动机器人
- 介绍
想象一下，在退房的移动机器人，在家里的居民分发药物。 该解决方案仅需要每个患者的面部和药物清单数据库。然后，移动机器人可以直接向患者提供药物给患者。这将有助于护士或临床助理对患者的护理。 我们生活在二十一世纪，慢慢地，机器人和机器人机制一直渗透到工程，汽车制造，医药，军队等领域。机器人和信息技术的发展使人类工作自动化，简化了各种任务，最终保护人类免受危险的工作环境的影响。
该方案具有多代理系统集中控制的新方法。 作为集中控制系统的计算机可以用移动设备来代替。 移动设备在本文中表示为智能手机。 新的智能手机具有与计算机相似的计算能力。这些智能手机可以将重要数据发送到云系统或从云系统接收。 下一个优点是使用诸如蓝牙或GSM之类的其他通信接口，因为智能手机是移动设备，而计算机只能使用基础架构网络，现在大多数是以太网。 本文介绍了提出的解决方案的两个实现。 第一个实现是基于蓝牙接口，第二个实现是基于WiFi接口。 移动应用的远程控制是实际的话题，这个话题也参与了[5]，[8]和许多其他出版物。
- 移动机器人KHEPERA III
Khepera III是由两个直流电机驱动的两个轮子的小型移动机器人。 机器人的主要部分是处理器dsPic 30F5011，频率为60 MHz。 内存RAM有4 kB，闪存有66 kB的嵌入式操作系统Linux。 移动机器人（图1）有15个传感器：
- 8红外接近，环境和环境光线传感器可达30厘米，
- 2红外线接地传感器用于线路以下应用，
- 5个超声波传感器，范围从20厘米到4米。
图1 移动机器人Khepera III
3.移动机器人KHEPERA程序
本部分介绍了通过蓝牙和WiFi进行通信的移动机器人Khepera III的设计和实现程序。 选择了两种不同的方法。 蓝牙通信的第一种方法使用一个带有参数的程序。 WiFi通信的第二种方法使用更多的程序，这种方法更加开放。
3.1移动机器人通过蓝牙通信的设计程序
移动机器人Khepera III是一个蓝牙服务器，它在C中编程。该服务器在两个方向与移动设备进行通信。 设计的程序具有远程操作功能，使用放置在Khepera上的USB摄像头拍摄功能，以及使用机械手臂（抓爪）抓握和放下物体的功能。 还有通过蓝牙从移动设备接收命令并将使用Khepera制作的照片发送到Android的功能。
移动机器人整体应用的综合方案如图2所示。
图2.移动机器人程序设计流程图
开始时，程序会调用Khepera的初始化。 如果输出是0的数值变量，程序会显示一个错误，并且应用程序关闭。初始化成功后，函数调用抓取器初始化。 如果此函数返回小于0的值，程序将显示初始化抓取器的错误，但程序将继续。
然后，程序打开通过蓝牙进行通信的端口。 如果返回低于1的值，则在打开端口时发出错误信号，程序关闭。 然后应用程序从移动设备接收各种命令（消息）作为程序参数，直到关闭命令。 如果移动机器人接收到关机命令，则移动机器人关闭。
3.2移动机器人通过蓝牙通信的程序实现
要在Khepera启动集成的蓝牙模块，必须配置端口。通过Vi编辑器直接在Khepera的操作系统上配置端口。这种配置由机器人用于蓝牙通信。
配置如下：
bull;波特率：115 200bps，
bull;吞吐量：8个数据位，
bull;平价：不平价，
bull;停止位：一个停止位，
bull;中断：无硬件中断控制。
配置完成后，Khepera通过蓝牙通讯可见其他设备。 用户可以使用移动机器人连接各种设备。 向Android发送数据的功能发送两个参数：要发送的数据和此数据的大小。 函数kmot_SetPoint（电机，电机转速）用于控制Khepera运动。向前运动为两个电机设置正值。 反向运动设定负值，可预测。 当移动机器人前进并获得转弯命令时，旋转侧的电机减速。 如果移动机器人站立并获得转弯指令，则程序将两个电机设置相同的值（电机转速），但第一个值为正，第二个值为负。 哪个值是负值取决于移动机器人想要转动的一面。
制作和发送照片到移动设备的实现如下。 首先，设置图像参数。 之后，图书馆v4l2uvc.h负责拍照并将其存储在文件中。 然后程序打开此文件并检查它是否为空。 程序使用函数fseek（）来到文件的末尾。 程序使用函数ftell（）获取图像大小，然后使用函数rewind（）获取流。 通过使用函数fread（），程序将图像中的所有字符放入字符数组（buffer）。 该缓冲区由函数com_send（）发送，该函数将两个参数作为数组的字符和数组大小发送给Android。 在这个数组的末尾，prog ram向移动设备发送字符串“（End）”，以检测发送图像是否完整。
3.3移动机器人通过WiFi通信的设计和实现程序
这种方法需要针对每个任务的不同程序：运动，跟随，避免障碍。 选择这个解决方案是为了开放。 每个新程序都可以从移动设备直接启动。 移动方式与使用上述蓝牙通信相同。
机器人使用两个位于底部的光学传感器进行跟踪。 以下解决如下。 起初，机器人向前移动。 如果传感器捕获黑线，则机器人将其打开。 之后，以下行简单。 如果左传感器捕获黑线，则机器人左转和反转。当机器人处于后续阶段时，如果两个传感器都捕获黑色，则会发生结束的条件。 这意味着，机器人在停车场。 以下流程图如图3所示。
图3.设计流程图
通过放置在移动机器人周边的光学传感器实现避免障碍。基于传感器值的程序计算两个电机的转速，然后将这些速度发送到电机。这种情况一再发生，直到程序计算两台电机的零点速度。如果发生这种情况，则程序终止。如果障碍物在机器人周围非常接近，程序将计算零转速。方案按照上述方案设计实施。大部分工作是对避免障碍物计划的转速计算进行调整。
- 通过移动设备控制移动机器人
本部分介绍了Android平台上通过移动设备通过蓝牙和WiFi接口设计和植入控制移动机器人。
4.1 蓝牙介绍
蓝牙是一种永远的，有限的无线连接驻留在微芯片。它于1994年通过瑞典手机的创造者爱立信最初扩展为让笔记本电脑做一个手机上面的调用的方法。如当时，许多组织已经签署了关于创建蓝牙低功耗无线轻率的平均各种各样的设备（LeVitus，216-220）的。业内预计观众蓝牙以十亿台设备到2005年安装。
通过爱立信的工程师在90年代末开发的，蓝牙是越来越多的特殊技术，促进了电子设备的多样性之间的轻率的无线通信。其主要重要的方面是，它允许设备进行“交谈”彼此无线（搬迁和协调数据），终止要求的电缆，电线和适配器为众多当今的专业知识重要的向外连续纠结。
蓝牙特别兴趣小组（SIG）于1998年成立，以管理蓝牙知识的扩展和序幕（LeVitus，216-220）。IBM，英特尔，东芝和诺基亚与爱立信连接为SIG的开始同伙，并超过8000个组织以来已收缩。因此，作为贸易产品与蓝牙要求和标识，厂家应该是SIG的员工和设备应符合良好概述凭据。这些程序确保蓝牙无线设备国际可以相互交谈，除了公司或派生的国家。
蓝牙特别兴趣小组（SIG）于1998年成立，以管理蓝牙知识的扩展和序幕（LeVitus，216-220）。IBM，英特尔，东芝和诺基亚与爱立信连接为SIG的开始同伙，并超过8000个组织以来已收缩。因此，作为贸易产品与蓝牙要求和标识，厂家应该是SIG的员工和设备应符合良好概述凭据。这些程序确保蓝牙无线设备国际可以相互交谈，除了公司或派生的国家。
范围可能因实施中使用的无线电类别而异：
- 3类无线电 - 距离可达1米或3英尺
- 2类无线电 - 最常见于移动设备中，具有10米或33英尺
- 1类无线电 - 主要用于工业用途，范围为100米或300英尺
对于传输较小的文件，例如手机合同和文本文档，也可作为低质量的图像和音频（Kumkum，160-162）创建蓝牙技术合适。在这些搬迁的速度;蓝牙实际上可能没有解决在这一端的视频流或高品质的图片和音频，除了这可能会在未来改变时，新的蓝牙标准启动。
创建和配置蓝牙允许的设备是适度简单，很少有额外的骚动比获得彼此接近的两个设备和扭曲它们。没有要求安装驱动程序或进一步的软件到复杂的自组织，个人无线网络（Kumkum，160-162）。它有一个统一的组织，这意味着有些两个无线产品归因蓝牙技术，尽管产品或原产地国家，必须与对方交谈无可挑剔的能力。
一个蓝牙的主要是普通应用的是免提的手机程序。关于我们这个时代塑造每部手机已建成蓝牙（迈耶，15-20）。只有对手机与蓝牙耳机，并且他可能说话，而他的手机是在他的钱包或口袋。一些今天的汽车音响，以及已安装蓝牙在他的汽车免提通话。如果他的车辆具有植物立体声或成年售后一说，他只是不希望恢复，他可能但像免提与蓝牙车载套件识别。
蓝牙3.0是通过蓝牙SIG4月21日，2009年通过的新鲜蓝牙无线典型的新鲜标准支持提高的数据中去除速度并构造超前前述标准（迈耶，15-20）。凭借其出众的速度，技术有可能的，以transfigure消费电子行业。
蓝牙技术标准的设置，使不同的应用可以“沟通”与对方。在远程通信设备使用相同的协议栈，而不同的应用需要不同的协议栈。但是，每一个应用程序需要的数据链路层和蓝牙技术的物理层。整个蓝牙协议栈被显示为打击。不是所有应用应该使用所有的协议，但一个或它们的一些名单。下面的图表显示协议之间的关系，但这种关系可以在一些应用中变化。
完全协议栈包括蓝牙特殊协议（如LMP和L2CAP），而不是特殊的人（如OBEX和UDP）。设计协议和协议栈的基本原则是现有的高级别协议的可能使用，确保协议和蓝牙技术的结合，并采取软件和硬件相适应的蓝牙技术标准的最佳优势。开放的蓝牙技术使设备制造商可以选择自由的协议，因为他们喜欢或习惯。
蓝牙协议系统中的协议根据SIG，
蓝牙协议系统有四层：
- 核心协议
- 电缆替换协议
- 电话控制协议
- 采用协议
除上述协议层外，标准还定义了主机/控制器接口（HCI）其提供命令接口，用于基带控制器，连接管理器，硬件状态和控制寄存器。
蓝牙核心协议包括由SIG做出的特殊协议。大多数蓝牙设备需要核心协议，而使用其它协议取决于应用的需求。毕竟，电缆替代协议，技术控制协议和基于所述核心协议采用协议构成面向对象的协议。
- 核心协议
- LMP（链路管理协议）
用于控制两个设备之间的无线链路。实施在控制器上。它识别并通过发射，交流和检查连接加密，并通过会议决定基带数据包的大小。它也控制在微微网的机组设备的电源模式和无线设备的工作周期，以及连接状态。
- L2CAP（逻辑链路控制和适配协议）
该协议用于使用不同的较高级协议对两个设备之间的多个逻辑连接进行复用，并提供空中分组的分段和重组。
在基本模式下，L2CAP为数据包提供高达64kB的有效负载，672字节为默认MTU，48字节为最小强制支持的MTU。
在重传和流量控制模式，L2CAP可以通过执行重传和CRC校验被配置成用于每个信道可靠的或同步数据。蓝牙核心规范附录1增加了两个附加的L2CAP模式到核心规范。这些模式有效地弃用原来的重传和流控制模式：
- 增强重传模式（ERTM）：该模式是原始重传模式的改进版本。此模式提供了可靠的L2CAP信道。
- 串流模式（SM）：这是一个非常简单的方式，用不进行重发或流量控制。此模式提供不可靠的信道L2CAP。
可靠性在任何这些模式是通过配置重传和超时齐平（时间之后，无线电将刷新分组）的数目可选地和/或附加地由下层蓝牙BDR/ EDR空中接口保证。有序测序由下部层保证。
仅在L2CAP或ERTM SM配置的信道可以在AMP逻辑链路进行操作。
- SDP（服务发现协议）
服务发现协议（SDP）允许设备发现其他设备及其相关参数支持的服务。 例如，当将手机连接到蓝牙耳机时，SDP将用于确定耳机（耳机配置文件，免提配置文件，高级音频配置配置文件（A2DP）等）支持的蓝牙配置文件）和协议复用器设置连接到他们每个人的需要。 每个服务由通用唯一标识符（
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