基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

潘運(yùn)丹　藍(lán)麗金

摘要：本設(shè)計(jì)研究一種基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人，利用紅外模塊、電機(jī)與舵機(jī)、攝像頭等模塊，主控芯片采用STM32F103ZET6芯片，將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片，主控芯片針對(duì)紅外反饋的環(huán)境信息，給電機(jī)、舵機(jī)等下發(fā)指令已完成相應(yīng)動(dòng)作。能夠?qū)崿F(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)，在一定的環(huán)境下到達(dá)盡可能多的景點(diǎn)，途中需順利通過各種門檻，路障等。每到一個(gè)景點(diǎn)完成進(jìn)行一定的識(shí)別，完成尋寶任務(wù)。

關(guān)鍵詞：旅游 尋寶 機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G624.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）09-0008-02

機(jī)器人自21世紀(jì)以來，取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。工廠里的機(jī)械臂大大加快了生產(chǎn)效率，醫(yī)院里的機(jī)器人提高了手術(shù)的成功率，家庭服務(wù)機(jī)器人方便了人們的居家生活。機(jī)器人的使用給人們帶來了很多的便利，并且機(jī)器人能夠替代人們完成各項(xiàng)危險(xiǎn)的工作，其安全性為科學(xué)研究的方式提供了不可磨滅的作用。2013年12月14日21時(shí)11分18.695秒，嫦娥三號(hào)成功實(shí)施軟著陸，降落相機(jī)傳回圖像。玉兔號(hào)月球車漫步在坎坷的月球面上，會(huì)遭遇未知的地形，環(huán)境等因素的干擾。本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠通過網(wǎng)咖來自動(dòng)選擇未知的路線，途中也將碰到未知的障礙，并且能在有限的時(shí)間內(nèi)來完成旅游尋寶任務(wù)。這些都是月球車探測，南極考察等技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

1 機(jī)器人總體功能及性能指標(biāo)

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有以下幾個(gè)功能：

（1）系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化能力：在一定的時(shí)間內(nèi)游覽多景點(diǎn)，完成計(jì)劃中的旅游活動(dòng)，并回到出發(fā)地點(diǎn)。需要一種最優(yōu)規(guī)劃以達(dá)到所要求的目標(biāo)，需要有一定的系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化能力。

（2）應(yīng)變能力：面對(duì)有些可移動(dòng)景點(diǎn)與不可知的路障擺放數(shù)量與位置，在機(jī)器人進(jìn)入場地后，所走的路線避免不了那些路障，此時(shí)需要機(jī)器人對(duì)此做出一定的應(yīng)變以順利完成任務(wù)。

（3）視力及定位：機(jī)器人辨別數(shù)字、文字、形狀和色彩的能力，引導(dǎo)機(jī)器人視力及定位能力的提高。

（4）爬坡能力和跨越門檻能力：由于應(yīng)用環(huán)境的需要，使得機(jī)器人具有一定的爬坡能力和跨越障礙的能力。

（5）對(duì)抗能力：具有一定的對(duì)抗能力，已完成任務(wù)。

（6）快速性與穩(wěn)定性：機(jī)器人在整個(gè)過程中，要在快速性與穩(wěn)定性中間求得平衡。

2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與外觀

該機(jī)器人的外形具有穩(wěn)定性、堅(jiān)固性以及時(shí)速性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上半部分為人型結(jié)構(gòu)，下半部分為四輪的車型結(jié)構(gòu)。車底安裝電機(jī)、主控芯片，紅外等一系列必需的配件。主控板位于底板中央，電池嵌在底板下方。八個(gè)避障紅外的安放位置分別為：前左，前右，前下左，前下右，中左，中右，中斜，后右。兩條循跡板位于前后底板下，且保持對(duì)稱。人型雙腳跨在主控板兩邊，向上直立豎起人型支架。支架由若干連接件，長條構(gòu)成。肩膀處架有攝像頭，攝像頭另有一根固定在底盤上的桿固定。機(jī)器人頭部連著一個(gè)小舵機(jī)。

3 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要由主控、紅外模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)航模塊、攝像頭等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控板為機(jī)器人核心部分，由主控芯片，顯示屏，I/O，A/D，紅外等相關(guān)元器件組成。將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片，主控芯片針對(duì)紅外反饋的環(huán)境信息，給電機(jī)、舵機(jī)等下發(fā)指令以完成相應(yīng)動(dòng)作。

3.1 主控制器

本設(shè)計(jì)主控芯片采用STM32F103ZET6芯片。該芯片是一種基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。擁有512K片內(nèi)FLASH（相當(dāng)于硬盤），64K片內(nèi)RAM（相當(dāng)于內(nèi)存），片內(nèi)FLASH支持在線編程（IAP）。同時(shí)有高達(dá)72M的頻率、數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化。功能較齊全，便于控制[3]。

3.2 紅外模塊

紅外模塊分為避障與循跡兩個(gè)部分，由于紅外探測傳感器發(fā)出紅外光，常見光對(duì)它的干擾極小，可應(yīng)用于智能小車的循線、避障以及其它機(jī)器人中物料檢測、灰度檢測等系統(tǒng)中。避障模塊采用E18-D50NK集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出有效的避免了可見光的干擾，如圖2所示。檢測障礙物的距離可以根據(jù)需求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)調(diào)節(jié)。

循跡模塊包括12×2個(gè)二極管，1×2個(gè)LM339M芯片，4×2個(gè)LED，以及若干電阻等電子元件。

3.3 導(dǎo)航模塊

導(dǎo)航模塊采用JY901，該模塊包含有MPU6050、HMC5883、氣壓計(jì)等模塊，并通過板載模塊進(jìn)行卡爾曼濾波生成方位數(shù)據(jù)，經(jīng)IIC或串口與主控芯片通訊。

3.4 驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊由電機(jī)與舵機(jī)組成。舵機(jī)采用4個(gè)MG995和2個(gè)MG90S。MG995型結(jié)構(gòu)材質(zhì)為模擬金屬銅齒、空心杯電機(jī)，雙滾珠軸承，反應(yīng)轉(zhuǎn)速：無負(fù)載速度0.17秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V）。電機(jī)為直流電機(jī)組成（4個(gè)）。

3.5 攝像頭模塊

該機(jī)器人的攝像頭采用OV7670。其主要參數(shù)如下：感光陣列：640*480；電源核電壓：1.8VDV±10%；視場角：25°；光學(xué)尺寸：1/6”。

4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分：

（1）繪圖軟件。Altium designer10、AutoCAD2010提供PCB、板子制作的電路圖、尺寸的繪制。

（2）編譯平臺(tái)。Keil uVision4提供機(jī)器人相關(guān)程序編寫平臺(tái)。其中涉及C語言程序編寫的相關(guān)知識(shí)，參考文獻(xiàn)4。

（3）下載模塊。JLINK-ARM作為STM32F103ZET6芯片燒寫器。

（4）圖像識(shí)別系統(tǒng)。

通過攝像頭OV7670識(shí)別景點(diǎn)的數(shù)字，并反饋會(huì)主控芯片。

圖像識(shí)別方案：模板法。通過上位機(jī)采集OV7670的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)形式為十六進(jìn)制，將采集出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過人為處理作為數(shù)字模板。在進(jìn)行攝像頭識(shí)別的時(shí)候，與此時(shí)采集的圖像做比較來確認(rèn)數(shù)字。優(yōu)點(diǎn)：識(shí)別精度高；缺點(diǎn)：時(shí)間較久。

定位輔助：由于OV7670焦距視野的特點(diǎn)，照射范圍有限制，照射長度也需要控制在一定范圍內(nèi)為宜，所以加入了紅外傳感器作為定位輔助，以提高性能。

5 特色點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 外型結(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)制作

設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用底座為玻纖板，人型支架為塑料的材質(zhì)，這有利于后期的打孔，并節(jié)約材料、廢物利用，重要的是，塑料材料質(zhì)量輕，壓低重心。外形結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特性：

（1）穩(wěn)定性。機(jī)器人在過門檻，路障時(shí)，特別是轉(zhuǎn)彎時(shí)需要注重其穩(wěn)定性，兼顧速度。

（2）堅(jiān)固性。具有一定的堅(jiān)固性，盡量減少機(jī)器人受到撞擊時(shí)內(nèi)部電元器所受到的的傷害。

（3）時(shí)速性。由于車身高度大，重心較高，偏前，需要保持一個(gè)較為穩(wěn)定的加速度。

5.2 紅外避障系統(tǒng)和循跡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.2.1 紅外避障系統(tǒng)

循跡紅外上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。避障紅外分別設(shè)置在前端，中部（以一定角度向右傾斜），后端。復(fù)位后，避障程序不斷循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)前端朝下的紅外檢測到障礙時(shí)，前舵機(jī)會(huì)相應(yīng)的放下，將機(jī)器人抬高，以通過門檻。當(dāng)向后倒退時(shí)，有后端紅外來感應(yīng)，行動(dòng)方式亦然。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可能遇到的路障，因此需要通過紅外感應(yīng)路障，并選擇順暢的路徑完成任務(wù)。當(dāng)避障紅外感應(yīng)到路障時(shí)，反饋回主控臺(tái)，通過程序的設(shè)定，選擇相應(yīng)的路徑。（以分支口有三條路徑為例。）如圖3所示。

5.2.2 紅外循跡系統(tǒng)

循跡紅外上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。復(fù)位后，循跡程序不斷循環(huán)運(yùn)行，循跡紅外不斷感應(yīng)場地的路線，將場地的路線反饋回主控板，主控板根據(jù)相應(yīng)的情況，按照程序設(shè)定，使機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作，改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使機(jī)器人能夠按照?qǐng)龅芈肪€運(yùn)行而不偏出。

機(jī)器人中間另設(shè)有兩個(gè)紅外，其功能可用來輔助循跡紅外，通過記錄紅外感應(yīng)的次數(shù)，使其在十字路口等多分支路口轉(zhuǎn)向是起到準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎，準(zhǔn)確選擇設(shè)計(jì)路線等功能。

機(jī)器人活動(dòng)部位是靠舵機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)遇到門檻時(shí)，前底盤舵機(jī)驅(qū)動(dòng)杠桿將前機(jī)身抬起，后輪驅(qū)動(dòng)前行，使得機(jī)器人順利通過門檻障礙。當(dāng)機(jī)器人向后時(shí)，后底盤舵機(jī)發(fā)揮作用。當(dāng)?shù)竭_(dá)每一個(gè)目標(biāo)的時(shí)候，頂部的兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的手作前后擺動(dòng)，小電機(jī)帶動(dòng)乒乓球自制的機(jī)器人腦袋做左右90度旋轉(zhuǎn)。人形的設(shè)計(jì)使機(jī)器人的自由度可以通過不同的程序使其配合輪子進(jìn)行不同程度的動(dòng)作展示。

5.3 選擇最優(yōu)路徑

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人適合各地形，通過測試每段路程的時(shí)間，綜合考慮時(shí)間與分?jǐn)?shù)，盡可能用有限的時(shí)間得到最高的分?jǐn)?shù)。

5.4 程序的調(diào)試與運(yùn)行

程序的調(diào)試運(yùn)行是機(jī)器人能夠?qū)嶋H穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的。需要考慮的因素：

（1）地面的摩擦。由于地面的粗糙程度和機(jī)器人重量會(huì)使機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎發(fā)生一定的偏差。

（2）重心。機(jī)器人由于人形部分導(dǎo)致機(jī)器人的中心改變，在上坡、轉(zhuǎn)彎、過門檻的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

（3）速度。機(jī)器人需要追求速度，但要考慮到高速后轉(zhuǎn)彎的準(zhǔn)確度會(huì)受影響，速度產(chǎn)生的慣性也會(huì)時(shí)機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定。

（4）其他因素。在調(diào)試的時(shí)候會(huì)發(fā)生一些意想不到的因素導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定。

根據(jù)影響條件，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。其中制定一些備案方案。比如：過彎可結(jié)合中間紅外的計(jì)數(shù)或者利用機(jī)器人的慣性或通過循跡紅外時(shí)時(shí)糾正等。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)研究的基于旅游尋寶應(yīng)用環(huán)境下的智能機(jī)器人，能夠較好地對(duì)該環(huán)境下的景點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，具有較好的應(yīng)變能力和對(duì)抗能力，給探測等應(yīng)用背景提供有利的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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