帶語(yǔ)音控制的多功能無(wú)線(xiàn)監(jiān)控輪式機(jī)器人

　　一、項(xiàng)目情況

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　　⒈項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　項(xiàng)目由來(lái)：

　　對(duì)輪式機(jī)器人的研究，可以追溯到智能小車(chē)的發(fā)展歷程，其實(shí)一個(gè)功能完備的輪式機(jī)器人，在本質(zhì)上就是一臺(tái)智能小車(chē)，因此對(duì)本文中的出現(xiàn)的智能小車(chē)，也代表輪式機(jī)器人。下面我們來(lái)回顧一下智能小車(chē)的發(fā)展歷史。

　　2004 年1月3日和1月24日，肩負(fù)著人類(lèi)探測(cè)火星使命的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過(guò)所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國(guó)宇航局的孿生火星車(chē)探測(cè)計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿(mǎn)成功。美國(guó)宇航局科學(xué)家和工程師事先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車(chē)聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車(chē)都需要至少工作90個(gè)火星日（約相當(dāng)于地球上的92天），在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪(fǎng) 8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周?chē)h(huán)境的立體和彩色全景照片?！坝職狻碧?hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)?！坝職狻碧?hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身。火星車(chē)能夠在火星上自主行駛;當(dāng)火星車(chē)發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛;在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車(chē)會(huì)去尋找可能的最佳路徑。

　　類(lèi)似火星車(chē)，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱(chēng)之為智能小車(chē)，又稱(chēng)輪式機(jī)器人，它通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)。操作員可以通過(guò)修改智能小車(chē)的計(jì)算機(jī)程序來(lái)改變它的行駛方式。因此，智能小車(chē)具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。與智能小車(chē)不同的是：遙控小車(chē)需要操作員來(lái)控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車(chē)還能控制其速度。常見(jiàn)的模型小車(chē)，都屬于這類(lèi)遙控車(chē);

　　智能小車(chē)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自主行駛等功能于一身的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。它最適合在那些人類(lèi)無(wú)法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門(mén)獲得廣泛應(yīng)用。

　　由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中大多數(shù)惡劣環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境中仍采用的人工的操作方式，這促使了我們對(duì)智能車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)。它在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景：如在工業(yè)生產(chǎn)中，可以代替人類(lèi)完成惡劣環(huán)境下的貨物搬運(yùn)、設(shè)備檢測(cè)等任務(wù);在軍事上，可以在危險(xiǎn)地帶代替人類(lèi)完成偵察、排雷等任務(wù);在民用上，可以作為導(dǎo)盲車(chē)為盲人提供幫助;在科學(xué)研究方面，可以代替人類(lèi)完成外星球勘探或者一礦藏勘探等。智能車(chē)按照工作環(huán)境下要分為室外智能車(chē)和室內(nèi)智能車(chē)兩種，這兩種環(huán)境有著較大的區(qū)別。室外環(huán)境一般較開(kāi)闊，受光照、天氣、時(shí)間等的影響，環(huán)境變化很大，既包括簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化環(huán)境也包括復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。室外自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航一般要求更高的智能。室內(nèi)環(huán)境一般較狹窄，光線(xiàn)較穩(wěn)定且環(huán)境復(fù)雜程度有限，一般視作結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　智能小車(chē)和智能車(chē)輛的研究是息息相關(guān)的，我們可以將智能小車(chē)看成是智能車(chē)輛的模型，對(duì)智能小車(chē)的研究，其應(yīng)用的很大一個(gè)方面便是在智能車(chē)輛行業(yè)。下面我們就來(lái)了解一下國(guó)內(nèi)外對(duì)智能車(chē)輛的研究歷史。

　　1、國(guó)外智能車(chē)輛的研究

　　智能車(chē)輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國(guó)BarrettElectronics公司開(kāi)發(fā)出了世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛系統(tǒng) （AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVs）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車(chē)裝配工廠(chǎng)與Schiinder 一Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車(chē)車(chē)體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車(chē)裝配線(xiàn)，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車(chē)及叉車(chē)等運(yùn)輸工具。由于Kalmar工廠(chǎng)采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國(guó)家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。

　　在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)正在研發(fā)智能車(chē)輛，其中具有代表性的智能車(chē)輛包括：

　　意大利MOB一LAB的研究：MOB一LAB是開(kāi)放“移動(dòng)試驗(yàn)室”的代名詞，后來(lái)用于研發(fā)車(chē)載實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)車(chē)道軌跡，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自主駕駛。MOB~LAB有以下主要特點(diǎn)：車(chē)輛前后裝備彩色攝像機(jī)，用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛外部環(huán)境;兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理器（利用相應(yīng)算法結(jié)構(gòu)，以200ms一幅圖像速度分析圖像）;4個(gè)車(chē)載傳感器來(lái)測(cè)量橫向和縱向車(chē)輛加速度;在車(chē)輛左右側(cè)安裝的毫米波雷達(dá)感知道路左右兩側(cè)環(huán)境;兩個(gè)PC處理器處理雷達(dá)和其他融合的傳感器數(shù)據(jù);

　　美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的研究：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車(chē)輛，配備不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù)：基于視覺(jué)的系統(tǒng); 雷達(dá)系統(tǒng)（檢測(cè)與車(chē)道的橫向位置）;激光掃描測(cè)距器（障礙物檢測(cè)）;其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺(jué)的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)。利用一臺(tái)安裝在后視鏡處的CCD攝像機(jī)，位置要盡可能高，車(chē)道檢測(cè)系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地，并且有連續(xù)或點(diǎn)化的車(chē)道標(biāo)志線(xiàn)。前幾幀檢測(cè)的車(chē)道標(biāo)志線(xiàn)數(shù)據(jù)也用來(lái)決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域，以簡(jiǎn)化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲(chǔ)，如道路消失點(diǎn)或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計(jì)算車(chē)道標(biāo)志線(xiàn)的參考，最后為了處理點(diǎn)劃車(chē)道線(xiàn)，可以通過(guò)一階多項(xiàng)式曲線(xiàn)來(lái)擬合，在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測(cè)到左右車(chē)道標(biāo)志線(xiàn)，就可以利用左右標(biāo)志線(xiàn)來(lái)估計(jì)車(chē)道中心線(xiàn);否則也可以利用估計(jì)的車(chē)道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來(lái)估算中心線(xiàn)。

　　另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）試驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門(mén)的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車(chē)輛也有較多的研究。

　　2、國(guó)內(nèi)智能車(chē)輛的研究

　　吉林大學(xué)智能車(chē)輛課題組長(zhǎng)期從事智能車(chē)輛自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來(lái)，課題組開(kāi)展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識(shí)別自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)的研究對(duì)我國(guó)獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)一種新型自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛系統(tǒng)，從而為我國(guó)生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。課題組己開(kāi)發(fā)出 JUTIV-1、JUTIV-2和JLUIV-3三種型號(hào)的自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛，其中JLUIV-3實(shí)用型視覺(jué)導(dǎo)航AGV已投入工廠(chǎng)進(jìn)行中試，并得到吉林省科委 “新型視覺(jué)引導(dǎo)AGV及自動(dòng)物流運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目、長(zhǎng)春市政府科計(jì)引導(dǎo)計(jì)劃新星創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、吉林大學(xué)科技園高新技術(shù)產(chǎn)品孵化項(xiàng)目的立項(xiàng)資助，目前該種 AGV已完成商品化研制，即將投入市場(chǎng)。由于JUTIV-3型AGV性能優(yōu)越，智能化程度高，屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，必將會(huì)產(chǎn)生重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司和國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院于2003年7月研制成功我國(guó)第一輛自主駕駛轎車(chē)。該自主駕駛轎車(chē)在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為130公里/小時(shí)，最高峰值速度為170公里/小時(shí)，并且具有超車(chē)功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)己經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。轎車(chē)自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。車(chē)內(nèi)的環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出道路狀況，測(cè)量前方車(chē)輛的距離和相對(duì)速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛;車(chē)載主控計(jì)機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)提供的道路信息、車(chē)前車(chē)輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進(jìn)還是換道準(zhǔn)備超車(chē)，相當(dāng)于駕駛員的大腦;自動(dòng)駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤(pán)控制器、油門(mén)控制器和剎車(chē)控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車(chē)按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。

　　另外，我國(guó)清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車(chē)輛。汽車(chē)自主駕駛技術(shù)是集模式識(shí)別、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和汽車(chē)操縱動(dòng)力等多門(mén)學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，汽車(chē)自主駕駛功能水平的高低常被用來(lái)作為衡量一個(gè)國(guó)家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。智能車(chē)輛的相關(guān)技術(shù)，也將促進(jìn)輪式機(jī)器人的研究。

　　項(xiàng)目的研究意義

　　該項(xiàng)目的研究成功，可以作為消費(fèi)類(lèi)的產(chǎn)品推廣，并且對(duì)于危險(xiǎn)性大的的環(huán)境也同樣起到很大的作用，比如礦井下的人員救助等方面，且本產(chǎn)品是自主創(chuàng)新，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有廣泛的應(yīng)用前景，該項(xiàng)目研制成功將填補(bǔ)我國(guó)在這方面的空白，并對(duì)科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。

　　主要內(nèi)容

　?。?）電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采取經(jīng)典的L298模塊來(lái)控制，通過(guò)一篇L298來(lái)控制兩個(gè)減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制小車(chē)的行駛。

　　（2）紅外無(wú)線(xiàn)遙控模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的無(wú)線(xiàn)控制，對(duì)其方向的控制。

　?。?）光電壁障模塊。根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線(xiàn)的物體均能檢測(cè)。

　?。?）語(yǔ)音模塊的研究。在尋跡和壁障過(guò)程中，加載語(yǔ)音識(shí)別項(xiàng)目，下車(chē)將根據(jù)特定人發(fā)布的命令，做出相應(yīng)的動(dòng)作，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

　　（5） 利用傳感模塊進(jìn)行尋跡和檢測(cè)障礙物，并控制智能車(chē)的車(chē)速。

　　（6） 溫度采集。采用DS18b20芯片采集智能車(chē)所處環(huán)境的溫度，將溫度模擬信號(hào)已經(jīng)在芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

　?。?） 利用OV6620對(duì)圖像進(jìn)行采集，并且研究圖像終端的顯示。

　?。?） 對(duì)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的研究，應(yīng)用ZigBee結(jié)合智能車(chē)進(jìn)行安全檢測(cè)，包括對(duì)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員的定位，并且采集其生命特征，包括心跳、溫度和血壓等，確定人員的生命體征，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具體情況的采集，其中包括溫度，濕度和空氣的各個(gè)氣體的含量，對(duì)環(huán)境情況做出預(yù)判。

　?。?）另外，智能車(chē)上還可以擴(kuò)展一些外圍模塊來(lái)增加其智能性，比如物品搬運(yùn)，防盜等功能。這樣小車(chē)的智能性會(huì)更加全面，功能也會(huì)更加完善。

　　本科研項(xiàng)目符合產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的技術(shù)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，屬于電子與通信項(xiàng)目中的汽車(chē)電子的應(yīng)用產(chǎn)品，屬于資助重點(diǎn)的資助領(lǐng)域。

　?、岔?xiàng)目計(jì)劃及目標(biāo)

　　項(xiàng)目總體目標(biāo)

　　本項(xiàng)目提供：

　　本項(xiàng)目除了實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的基本功能外，針對(duì)特定的現(xiàn)場(chǎng)及PIC32芯片的特點(diǎn)，還開(kāi)發(fā)了循跡、避障、測(cè)速等功能，并實(shí)現(xiàn)圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸。

　?。?）本項(xiàng)目的總體目標(biāo)提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能消防車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)一套;

　　（2）配套的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一套;

　　技術(shù)、質(zhì)量指標(biāo)

　?。?）將循跡、避障、測(cè)速等功能融為一體，嘗試了多通道、多傳感器的綜合運(yùn)用，采用了較為精確的方向控制策略，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到了較高的水平。（2）評(píng)測(cè)終端主要技術(shù)指標(biāo)：充分利用PIC32單片機(jī)的軟硬件資源。

　?。?）增添相應(yīng)的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、行駛狀態(tài)顯示。

　?。?）儀器終端提供測(cè)試結(jié)果的液晶顯示，可將結(jié)果實(shí)時(shí)在外接的顯示器上顯示。

　?。?）從視頻信號(hào)中采集圖像。

　?。?）利用ZigBee實(shí)現(xiàn)圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車(chē)的周邊影像的監(jiān)控。

　?。?）語(yǔ)音控制智能小車(chē)的行為。

　?。?）充分利用單片機(jī)的外圍接口，使小車(chē)的智能性更強(qiáng)。