智能物聯(lián)機器人系統(tǒng)的研究

吳永琢

WU Yong-zhuo

(青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島 266100 )

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 自1990年IBM提出的“智慧地球”概念，在全球范圍內(nèi)掀起了全新的IOT研究的狂潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的時代隨之而來，物聯(lián)網(wǎng)主要分為三個層次，即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要采用各種傳感器技術(shù)來獲取各種物體信息和環(huán)境信息，通過現(xiàn)有的IPV4或云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信息傳遞至服務(wù)端及應(yīng)用開發(fā)端，根據(jù)相關(guān)信息開發(fā)出服務(wù)于人類的各種應(yīng)用軟件，比如智能電網(wǎng)、智能家居、智能醫(yī)療等。應(yīng)用最廣泛的是通過射頻信號采集編碼信息，實時跟蹤物體去向和發(fā)源地查詢等，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上無法實現(xiàn)智能控制和移動，因此與機器人技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)機器人，打造更智能的機器人終端，服務(wù)于各行各業(yè)，可拓展至工業(yè)、醫(yī)療、電力等。

機器人作為移動終端集成物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)應(yīng)用，通過機器人的智能分析和控制，采用無線網(wǎng)絡(luò)方式將信息傳遞應(yīng)用層，實現(xiàn)信息一體式管理和應(yīng)用，機器人作為智能控制的核心象征，其具有控制、機械、算法為特征的研究成果，必然將與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，物品查詢、工業(yè)制造、醫(yī)療保健都將與物聯(lián)網(wǎng)機器人相結(jié)合，創(chuàng)造人類歷史上的又一突破，實現(xiàn)移動式物物聯(lián)網(wǎng)，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)融入生活和生產(chǎn)，服務(wù)于人類。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)在設(shè)計上采用了ARM和藍(lán)牙技術(shù)以及各種環(huán)境傳感器，可語音控制機器人，通過機器人可監(jiān)控任何一個處于可監(jiān)控范圍的情況。系統(tǒng)設(shè)計的物聯(lián)機器人可應(yīng)用于家庭、工廠等。其硬件設(shè)計上采用了ARM9，即三星公司生產(chǎn)的S3C6410，其采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)；包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放；擁有一個優(yōu)化的接口連線到外部存儲器。存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口等優(yōu)點。軟件上以實現(xiàn)語音、自動充電、藍(lán)牙和圖像為主，通過環(huán)境信息的采集和分析，實現(xiàn)家庭控制、環(huán)境監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)具備了家庭教育、移動定位、環(huán)境監(jiān)控、生活助理等應(yīng)用功能。也可采用的前沿科技技術(shù)，使物聯(lián)機器人可拓展具有娛樂、服務(wù)、移動互聯(lián)等功能。系統(tǒng)設(shè)計主要分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)以及機械設(shè)計三個部分。 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要分為五層，其中應(yīng)用層在本文中沒有涉及，根據(jù)物聯(lián)機器人所預(yù)留的功能端口可實現(xiàn)應(yīng)用拓展，當(dāng)然本文主要設(shè)計的是藍(lán)牙通訊模塊對物聯(lián)機器人的控制，其次通過各種傳感器的應(yīng)用，實現(xiàn)各種信息的采集和分析，實現(xiàn)物聯(lián)家居、移動機器人。

本文研究的物聯(lián)機器人主要應(yīng)用于家庭服務(wù)，可與智能家居相結(jié)合，可實現(xiàn)家庭教育和娛樂，家庭監(jiān)控、安全監(jiān)測報警等功能。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

本文設(shè)計的物聯(lián)機器人系統(tǒng)硬件部分主要以ARM控制為主，并根據(jù)功能增加了外圍電路。系統(tǒng)硬件主要組成包括：核心控制模塊、無線藍(lán)牙通訊模塊、自動充電模塊、語音模塊以及多傳感器模塊等。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖3 軟件流程框架設(shè)計圖

圖2和圖3是本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計框架圖和軟件設(shè)計流程框架圖，針對硬件主要包括以上6大模塊，也是物聯(lián)機器人的核心處理模塊，而軟件設(shè)計上是在硬件平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析判斷的程序編寫，本系統(tǒng)是基于C語言進(jìn)行編輯，完成各種家庭服務(wù)和智能家居的應(yīng)用。

2.1 核心控制模塊

本系統(tǒng)核心控制模塊的核心處理器采用的是三星公司生產(chǎn)的S3C6410，具有64位內(nèi)部總線架構(gòu)。芯片內(nèi)部集成了硬件加速器，具有高速處理數(shù)據(jù)功能，完成音頻、視頻等數(shù)據(jù)的處理。此芯片具有豐富的硬件拓展接口，并集成了內(nèi)部存儲器，方便了代碼和數(shù)據(jù)信息的存儲。支持各種驅(qū)動和音視頻編碼操作，也支持外接存儲器，實現(xiàn)空間拓展。本系統(tǒng)選擇此款芯片具有高速、高效、低功耗、可靠等特性。

2.2 無線藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙作為短途通訊的有效通訊模式被全球各大行業(yè)廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)不斷完善，實現(xiàn)2.4GHz，1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，并實現(xiàn)了全雙工通訊模式，經(jīng)過各行業(yè)對藍(lán)牙通訊的應(yīng)用驗證，藍(lán)牙技術(shù)具有穩(wěn)定、安全和抗干擾能力強等特點。

本系統(tǒng)的硬件實體主要分為三層，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，機器人感知層主要集成了各種傳感器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)化器等。通過采集各種數(shù)據(jù)信息通過藍(lán)牙通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。

2.3 行為執(zhí)行模塊

驅(qū)動電路部分主要采用L298N，其可直接對電機進(jìn)行控制，無須隔離電路，可以驅(qū)動雙電機。機器人采用四輪驅(qū)動方式，分別由四個直流電機控制，這四個直流電機通過L形支架分別固定在機器人軀體的兩側(cè)，通過控制這兩個直流電機的正反轉(zhuǎn)，能夠完成向前直走、向后直走、并且左右轉(zhuǎn)彎、原地打轉(zhuǎn)這些平地的技術(shù)動作。

2.4 語音模塊

本系統(tǒng)的語音模塊主要采用的是凌陽16位微處理器芯片SPCE061A為核心,SPCE061A有一路專用于語音信號采集的A/D轉(zhuǎn)換電路(MIC輸入)，在系統(tǒng)核心板上設(shè)計了一路語音輸入，這樣就方便機器人采集人發(fā)出的聲音，其外圍電路簡單，通過簡單的濾波電路就可以實現(xiàn)語音的錄入，在聲音錄入終端采用了柱狀話筒。在軟件設(shè)計上SPCE061A核心芯片的語音內(nèi)存必須預(yù)先設(shè)定聲音才可以與其互動，初期系統(tǒng)設(shè)計上采用了10條對話語句，在機器人形成后需通過語音對其機器人進(jìn)行訓(xùn)練，然后通過代碼進(jìn)行比對輸入的聲源是否符合預(yù)先設(shè)定的，符合則采取相應(yīng)的動作，否則不執(zhí)行。此種語音模塊，可實現(xiàn)簡單的語音識別功能，實現(xiàn)人機交互功能，完成機器人語音對話。并且此種模塊技術(shù)實現(xiàn)上比較容易，易普及和拓展，用戶也可以根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行語音訓(xùn)練進(jìn)行改變機器人動作和反應(yīng)。軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 語音實現(xiàn)流程圖

2.5 自動充電模塊

物聯(lián)機器人在運動或完成任務(wù)過程中是不斷的消耗自身的電力，但大部分客戶在使用此類機器人時往往無法及時或按時給機器人充電，導(dǎo)致電池?fù)p壞。如何實現(xiàn)機器人自動充電是本系統(tǒng)實現(xiàn)的一個特點，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計采用了低電壓檢測環(huán)節(jié)，當(dāng)機器人運行過程中出現(xiàn)電源電壓低于預(yù)先設(shè)定的電壓值，機器人將按一定的方式尋找充電站，實現(xiàn)自動充電。充電完成后會自動駛向待命區(qū)，全部過程實現(xiàn)智能化，自動化。

通過研究和實驗，在機器人充電方面選擇了感應(yīng)充電，此種充電是一種利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式進(jìn)行能量傳遞的充電方式，充電方式合理，而且快速，易實現(xiàn)自動充電功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動充電原理圖

此種充電方式采用無接觸式充電，交流電輸入充電座后經(jīng)過整流和濾波，形成穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過諧振逆變器對電流進(jìn)行逆變，完成交流到直流的轉(zhuǎn)變，再通過感應(yīng)耦合將電流傳輸?shù)綑C器人電池輸入接口處，在機器人電池充電為保證電池平穩(wěn)充電也加入了整流濾波電路，完成機器人五接觸式能量傳輸。通過此種方式充電保證機器人充電過程的安全可靠，無須人工安全，降低了危險性。

物聯(lián)機器人應(yīng)用于家庭或者特定環(huán)境中，如何進(jìn)行充電站的尋找是設(shè)計的難道，機器人在電源電壓低于門檻電壓時，機器人可采用兩種方式進(jìn)行尋找，一為機器人按延墻走的方式，另一種是以無限發(fā)射和接收的方式進(jìn)行空間定位。本系統(tǒng)采用的為第二種，在機器人移動過程中將機器人看成為一個質(zhì)點，不考慮機器人再接近充電座的姿勢，當(dāng)機器人接近充電座時通過紅外傳感器向三個方向進(jìn)行搜索定位，并結(jié)合市場上現(xiàn)有的成熟傳感器進(jìn)行應(yīng)用，即避障和距離傳感器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程和近程機器人應(yīng)用。物聯(lián)機器人安裝了兩種情況下的傳感器，對接充電座時準(zhǔn)確可靠。軟件實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

圖6 自動充電軟件流程圖

在未知環(huán)境中要找到充電座相對比較難，因此在設(shè)計充電座時，將帶有特有標(biāo)識，方便機器人在近距離的過程中可以快速準(zhǔn)確找到充電座，實現(xiàn)充電功能，完成充電后，自動脫離充電座，到底制定距離的位置等待任務(wù)，超過10分鐘機器人將自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)，保存能量，實現(xiàn)智能電力管理。

2.6 傳感器模塊

本系統(tǒng)可實現(xiàn)家庭環(huán)境監(jiān)測，實現(xiàn)安全管理，集成了氣體含量檢測傳感器，避障傳感器、紅外傳感器、加速度傳感器、光電傳感器、環(huán)境傳感器、攝像頭等機器人控制用傳感器，通過機器人具有的攝像頭可通過藍(lán)牙通信實時傳輸圖像至手機，方便用戶監(jiān)測家庭狀況，實現(xiàn)智能監(jiān)控的功能。同時物聯(lián)機器人在地盤上安裝了七個地面灰度傳感器，實現(xiàn)夜間固定路線巡查并可實時監(jiān)測空氣中的甲醛、SO2等氣體的含量，達(dá)到一定量時將自動提醒用戶，實現(xiàn)機器人的智能家居功能。

3 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)和機器人技術(shù)的不斷更新，技術(shù)的結(jié)合程度將越來越高，本文根據(jù)發(fā)展趨勢搭建了一款具有家居智能的物聯(lián)機器人系統(tǒng)。實現(xiàn)了家庭教育、人機對話、環(huán)境監(jiān)測和管理以及系統(tǒng)本身的自動充電功能，真正實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與機器人技術(shù)的結(jié)合，符合物聯(lián)網(wǎng)中的智能家居的發(fā)展方向。本系統(tǒng)在設(shè)計上預(yù)留了拓展接口，可根據(jù)研究需求進(jìn)行二次開發(fā)，可進(jìn)一步實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，人機界面的開發(fā)。使物聯(lián)機器人真正達(dá)到智能，服務(wù)于人類。

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