具有全向移動功能的多功能語音機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳 然， 吳 蓓

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院， 江蘇 南京 211156）

引言

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能的不斷發(fā)展，移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。隨著需要機(jī)器代替人工作業(yè)的場合越來越多，當(dāng)前市面上同一款機(jī)器人所能應(yīng)用的場合非常有限，且在多種狹窄的區(qū)域范圍內(nèi)，需要改變機(jī)輪方向來改變自身運(yùn)動方向的機(jī)器人往往無法工作。因而，具有全向移動功能的麥克納姆輪在近年來得到廣泛運(yùn)用。此外，隨著社會進(jìn)步、科技發(fā)展以及我國社會人口老齡化的問題日益嚴(yán)重，以鍵盤式輸入對機(jī)器人進(jìn)行控制的操作方式已無法滿足人類需求的同時(shí)，人們也越來越關(guān)注以后的養(yǎng)老問題。因此，具有語音交互功能的多功能機(jī)器人將擁有更廣闊的市場。

1 硬件設(shè)計(jì)

具有全向移動功能的多功能語音機(jī)器人的硬件實(shí)物圖如下頁圖1所示。

基于STM32F103RCT的嵌入式平臺連接語音交互芯片、六軸慣性傳感器、紅外光電傳感器、超聲波測距模塊、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、粉塵傳感器、火焰檢測模塊、GSM模塊、驅(qū)動模塊以及電源模塊。其將采集到的信息進(jìn)行解算，建立出坐標(biāo)系進(jìn)行自主定位，根據(jù)語音交互模塊接收到的語音命令到達(dá)某一地點(diǎn)，對該地點(diǎn)或沿途的環(huán)境信息進(jìn)行采集并匯報(bào)，若檢測到障礙則自行避開。

1.1 全向移動

全向移動基于機(jī)器人底部的四個(gè)麥克納姆輪，其安裝方式為O-長方形，如下頁圖2所示。采用帶有霍爾編碼器的直流減速電機(jī)對麥克納姆輪進(jìn)行控制。機(jī)器人能夠依靠各機(jī)輪的方向和速度，在不改變機(jī)輪自身方向的情況下進(jìn)行全方位移動[1-2]。通過逆運(yùn)動學(xué)模型得出四個(gè)輪子速度的計(jì)算公式，機(jī)器人通過獲取霍爾編碼器的電氣角相位差，解算出實(shí)際轉(zhuǎn)速，并選用PID控制器對輪子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過控制芯片輸出PWM信號進(jìn)行控制。

1.2 電源模塊

本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路能夠滿足各個(gè)芯片或模塊的工作需求，其主要是對11.1 V、2 200 mA的鋰電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。11.1 V直接為電機(jī)驅(qū)動提供工作電壓。通過基于TPS5430芯片的BUCK開關(guān)電源拓?fù)?，?1.1 V降至5 V，給語音交互模塊、環(huán)境檢測模塊和5.8G WIFI圖傳模塊供電。再通過AMS1117芯片將5 V線性穩(wěn)壓到3.3 V，為STM32芯片、光電傳感器、超聲波測距模塊和霍爾編碼器供電，并為電機(jī)驅(qū)動提供邏輯電壓。

1.3 STM32F103RCT芯片

主控制器選用STM32F103RCT芯片，其具有48KB SRAM、256 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級定時(shí)器、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、1個(gè) USB、1個(gè) CAM、3個(gè) 12位 ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口和51個(gè)通用I/O口。

1.4 自主定位避障模塊

自主定位采用ICM-20602六軸慣性傳感器，控制芯片通過濾波與姿態(tài)解算得到機(jī)器人的航向角、速度、加速度等信息，建立一個(gè)二維坐標(biāo)系，從而進(jìn)行自主定位，并通過SPI通信總線和STM32F103RCT芯片進(jìn)行通信[3]。

自主避障采用兩個(gè)紅外光電管和兩個(gè)超聲波測距模塊協(xié)調(diào)進(jìn)行障礙檢測。采用集發(fā)射與接收于一體的E18-D80NK紅外光電傳感器，檢測機(jī)器人前后特定距離內(nèi)是否有障礙或墻體。發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，能夠有效的避免可見光的干擾。采用HC-SR04超聲波傳感器，測量機(jī)器人兩側(cè)距離障礙或墻體的距離，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人周圍障礙的檢測，并結(jié)合機(jī)器人相應(yīng)的動作，完成自主避障的功能。超聲波傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給最少10μs的高電平信號。模塊自動發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。為了提高機(jī)器人的自主定位及避障效果，設(shè)計(jì)過程中采用龍格-庫塔算法對誤差進(jìn)行抑制，該算法采用Taylor公式進(jìn)行展開，其解具有較好的光滑性。

圖1 硬件實(shí)物圖

圖2 O-長方形安裝方式

1.5 語音交互模塊

SYN7318中文語音交互模塊集成了語音識別、語音合成和語音喚醒功能模塊，通過UART接口通訊方式接收命令幀，實(shí)現(xiàn)文本到語音、語音到文本的轉(zhuǎn)換以及語音喚醒功能。模塊內(nèi)部還集成了MP3音頻文件的播放功能，可以使用命令幀控制MP3音頻文件的播放、暫停、恢復(fù)及停止動作[4-5]。

1.6 環(huán)境檢測及報(bào)警模塊

1）可燃?xì)怏w傳感器采用MQ-5。MQ-5所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。STM32F103RCT芯片通過自帶ADC讀取傳感器輸出的模擬信號，對可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行判斷。

2）溫濕度傳感器采用DHT-11，具有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的功能。其精度為：（RH）濕度±5%，溫度±2℃，量程濕度（RH）20%～90%，溫度范圍0～50℃。該傳感器通過單線制串行接口與控制芯片相連接。

3）人體紅外感應(yīng)傳感器采用HC-SR501。人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后能夠產(chǎn)生報(bào)警信號?？刂菩酒ㄟ^檢測數(shù)字信號判斷報(bào)警信號。

4）粉塵傳感器采用GP2Y1010AUOF。裝置中具有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，采用對角布置，能夠檢測到空氣中的灰塵反射光。該傳感器具有較低的電流消耗，輸出的是一個(gè)模擬電壓，其正比于所檢測得的粉塵濃度。控制芯片通過自帶ADC讀取傳感器輸出的模擬信號，對粉塵濃度進(jìn)行判斷。

5）火焰檢測傳感器。通過紅外接收傳感器可以檢測火焰或者波長在760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源，以模擬量電壓輸出。控制芯片通過自帶ADC讀取傳感器輸出的模擬信號，對是否有明火進(jìn)行判斷。

6）GSM模塊采用SIM900A。控制芯片與SIM9 00A通過串口通信，實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)和語音通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人啟動后，對系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行初始化，然后將六軸慣性傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波并建立坐標(biāo)系。進(jìn)入語音接收循環(huán)后，解析語音信息并生成相應(yīng)控制指令。具體指令操作流程如圖3流程圖所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)物展示

根據(jù)如上分析及設(shè)計(jì)，制作硬件實(shí)物圖如圖4所示。該機(jī)器人能夠在不改變機(jī)輪自身方向的情況下、在狹小的環(huán)境范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全方位移動，能夠自主定位與避障，可與用戶進(jìn)行語音交互，可根據(jù)用戶的語音命令執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，能檢測環(huán)境內(nèi)溫濕度狀況、PM2.5濃度、是否有可燃?xì)怏w泄漏、是否有非法人員入侵、是否有明火，并在發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。在機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，用戶可以通過5.8G圖傳模塊在手機(jī)上查看機(jī)器人周圍實(shí)時(shí)影像。同時(shí)，為充分發(fā)揮所搭載的各個(gè)芯片、傳感器、模塊的功能，還附帶有播報(bào)時(shí)間、設(shè)置鬧鐘、看門站崗、短信、電話、播放音樂、講故事等多種功能。

圖4 硬件實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文以STM32F103RCT6嵌入式平臺為核心，以麥克納姆輪為移動基礎(chǔ)，結(jié)合電源模塊、定位避障模塊、語音交互模塊等設(shè)計(jì)了一款多功能機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了全向移動、自主定位、自主避障、語音交互、檢測環(huán)境和一系列娛樂、管家功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，功能多樣，可操作性高，穩(wěn)定性高，具有較高的可拓展性。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁明華，李允旺，王勇.基于Unity3d的麥克納姆輪移動平臺避障算法仿真[J].中國科技論文，2016（10）：1 191-1 195.

[2] 莫然，張進(jìn)，高淑芝.基于麥克納姆輪的全向移動自主機(jī)器人[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（8）：223.

[3] 傅忠云，朱海霞，孫金秋，等.基于慣性傳感器MPU6050的濾波算法研究[J].壓電與聲光，2015（5）：821-825.

[4] 余皓，蘇全.語音控制機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動化，2007（5）：29-31.

[5] 周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（19）：85-88.