基于Android的ROS机器人远程控制系统-ROS机器人硬件平台、无线通信网络和Android 终端

为提高 ROS机器人控制终端的灵活性，设计了一种基于Android 终端的远程控制系 统。该系统结构主要包括三部分： ROS机器人硬件平台、无线通信网络和Android 终端 。Android 终端与 ROS Master通过无线局域网进行数据通信与视频传输。视频传输方面，在ROS Master部 署web_video_ server 节点，将图像消息转码为MJPEG格式并通过HTTP 发 布 ；Android 终端通过WebView 控件加载视频 流 URL, 实现低延迟显示。运动控制方面，Android 终端采用自定义摇杆采集用户触摸输入，封装成ROS 消息后，基于rosjava 库通过TCPROS协议直接发布至ROS Master，实现对机器人的实时操控。实验阶段， 先后对ROS机械臂、差速轮式机器人和四足机器人进行了跨平台仿真测试，并Z终在四足机器人实体上 完成了实机验证。测试结果表明：系统控制延迟约150 ms, 视频延迟约为250 ms, 二者均处于实时交互 的可接受范围；同时，姿态变化曲线显示，机器人偏航角（ yaw） 变化与实际运动指令高度一致。该系 统能够稳定、有效地实现对多种机器人的实时远程控制。

在通信方案层面， 实 现Android 终端与ROS Master通信的主流方式 主要包括基于WebSocket/rosbridge的桥接方案16 和基于原生TCPROS 协议的直接通信方案。论 文 基于这种方案设计了一款web application用来控制ROS的 TurtleSim。前者虽实现了通信， 但引入了额外的中间层，导致系统架构复杂、通 信链路延长，难以满足高实时性控制的需求。相 比之下，TCPROS作为ROS官方的底层通信协 议，允许Android终端通过rosjava库直接作为原 生节点与ROS Master交互。该方案无需桥接，极 大地缩短了通信链路，有效降低了延迟，在实时 性、兼容性与系统简洁性方面具有显著优势。在 Android终端架构层面，本文所设计的Android终 端采用MVVM架构进行构建，MVVM核心理念 是关注点分离8，通过关注点分离有效解耦了界 面、业务逻辑与数据，极大提升了代码的可维护 性、可测试性与可扩展性。 在“MVVM架构+TCPROS直接通信”的基 础之上实现两大关键功能：D一，在运动控制方 面 ，Android终端基于MVVM 架构设计了直观的 摇杆交互控件，通过捕获用户触摸事件并进行坐 标归一化处理，将控制指令封装为ROS消息， 经 由TCPROS协议直接发布，Z终驱动机器人实 现实时准确运动。第二，在状态监测方面，系统 在 ROS Master部署web_video_server节点，将摄 像头图像转码为MJPEG格式并通过HTTP协 议 发布；Android终端则通过WebView控件加载视 频流，实现了低延迟的视频渲染与实时环境反馈。 Z后使用Unitree A1四足机器人进行实机测试， 此外，还扩展了对机械臂和差速轮式小车的仿真 控制。测试结果表明远程控制系统能够实现对机 器人的实时控制。下文节点之间的通信流程以控 制四足机器人实机为例进行阐述。

基于Android的 ROS机器人远程控制系统由 三大模块构成，分别为ROS 机器人硬件平台、 无线通信网络以及Android终端。系统实现原理 如图1所示。其中ROS机器人硬件平台以四足 机器人为载体，并搭载USB摄像头。无线通信 部分则依托实验室本地Wi-Fi网 络 ，为 Android终 端与ROS Master之间建立稳定的通信链路。ROS Master运 行Ubuntu 20.04系统，集成web_video_ server节点，负责将摄像头采集的图像数据转换 为 MJPEG格式并通过HTTP 协议发布；同时通 过 TCPROS协议实现与Android终端的直接数据 通信，确保控制指令能够高效传输，Android终 端采用MVVM架构进行设计，为用户提供直观 的交互界面。该界面可实时接收并显示机器人回 传的视频流数据，同时用户可通过虚拟摇杆控件 向机器人发送运动指令，Z终达成对机器人的远 程运动控制。

TCPROS是ROS官方节点间通信的底层协议， 基于TCP实现。通过rosjava库 ，Andoid 终端可 直接作为ROS节点与ROS Master通信。这种方 式无需中间桥接，极大缩短了通信链路，降低了 消息传递的延迟，非常适合对高实时性有严格要 求的机器人运动控制场景。同时，该方案与ROS 原生节点（包括C++、Python 和Java） 完全兼容， 能够支持所有标准及自定义消息类型，保证了系 统的灵活性和扩展性。此外，TCPROS通信机制 本身支持全双工通信和自动序列化/反序列化， 使得数据交换过程高效且可靠。

(1) ROS Master 配 置 ： 用 户 在 Andriod 终 端输入ROS Master的 IP 和端口，Android 终端通 过 rosjava 配置节点参数，生成Master URI ( 如 http://192.168.1.100:11311)。

（2）节点注册与连接： Android终端通过 NodeMainExecutorService将控制节点注册到ROS Master, 节点启动后自动向Master 注册自身信息 （节点名、主机地址、topic 等 ） 。

（3）消息发布：如摇杆控制， Andriod终端 采集用户输入，封装为Joy 消息，通过Publisher 发布到Joy 话题。

（4）消息路由与传输： ROS Master负责节 点发现与topic路由，确保消息在各节点间高效 传递。所有消息通过TCPROS协议在节点间传输，

附件：基于Android的ROS机器人远程控制系统-ROS机器人硬件平台、无线通信网络和Android 终端