帶語音控制的多功能無線監(jiān)控輪式機(jī)器人

　　一、項(xiàng)目情況

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　　⒈項(xiàng)目簡介

　　項(xiàng)目由來：

　　對輪式機(jī)器人的研究，可以追溯到智能小車的發(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)上就是一臺智能小車，因此對本文中的出現(xiàn)的智能小車，也代表輪式機(jī)器人。下面我們來回顧一下智能小車的發(fā)展歷史。

　　2004 年1月3日和1月24日，肩負(fù)著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國宇航局的孿生火星車探測計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國宇航局科學(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聯(lián)合探測計(jì)劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作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 8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片?！坝職狻碧柺瞧衩绹l(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計(jì)?！坝職狻碧柍晒?shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身。火星車能夠在火星上自主行駛;當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標(biāo)，它會驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛;在檢測到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。

　　類似火星車，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，我們稱之為智能小車，又稱輪式機(jī)器人，它通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方式。因此，智能小車具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。與智能小車不同的是：遙控小車需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車;

　　智能小車，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無法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。

　　由于工業(yè)現(xiàn)場中大多數(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，這促使了我們對智能車的研究和開發(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，可以代替人類完成惡劣環(huán)境下的貨物搬運(yùn)、設(shè)備檢測等任務(wù);在軍事上，可以在危險(xiǎn)地帶代替人類完成偵察、排雷等任務(wù);在民用上，可以作為導(dǎo)盲車為盲人提供幫助;在科學(xué)研究方面，可以代替人類完成外星球勘探或者一礦藏勘探等。智能車按照工作環(huán)境下要分為室外智能車和室內(nèi)智能車兩種，這兩種環(huán)境有著較大的區(qū)別。室外環(huán)境一般較開闊，受光照、天氣、時(shí)間等的影響，環(huán)境變化很大，既包括簡單的結(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。

　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

　　1、國外智能車輛的研究

　　智能車輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國BarrettElectronics公司開發(fā)出了世界上第一臺自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng) （AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVs）。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder 一Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國家紛紛效仿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)智能車輛，其中具有代表性的智能車輛包括：

　　意大利MOB一LAB的研究：MOB一LAB是開放“移動(dòng)試驗(yàn)室”的代名詞，后來用于研發(fā)車載實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來檢測車道軌跡，實(shí)現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB~LAB有以下主要特點(diǎn)：車輛前后裝備彩色攝像機(jī)，用來檢測車輛外部環(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)車載傳感器來測量橫向和縱向車輛加速度;在車輛左右側(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);

　　美國俄亥俄州立大學(xué)的研究：美國俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯(cuò)誤檢測技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng); 雷達(dá)系統(tǒng)（檢測與車道的橫向位置）;激光掃描測距器（障礙物檢測）;其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測。利用一臺安裝在后視鏡處的CCD攝像機(jī)，位置要盡可能高，車道檢測系統(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)化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域，以簡化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲，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)算車道標(biāo)志線的參考，最后為了處理點(diǎn)劃車道線，可以通過一階多項(xiàng)式曲線來擬合，在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測到左右車道標(biāo)志線，就可以利用左右標(biāo)志線來估計(jì)車道中心線;否則也可以利用估計(jì)的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來估算中心線。

　　另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）試驗(yàn)中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué)對智能車輛也有較多的研究。

　　2、國內(nèi)智能車輛的研究

　　吉林大學(xué)智能車輛課題組長期從事智能車輛自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來，課題組開展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識別自動(dòng)引導(dǎo)車的研究對我國獨(dú)立自主開發(fā)一種新型自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)，從而為我國生產(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。課題組己開發(fā)出 JUTIV-1、JUTIV-2和JLUIV-3三種型號的自動(dòng)引導(dǎo)車輛，其中JLUIV-3實(shí)用型視覺導(dǎo)航AGV已投入工廠進(jìn)行中試，并得到吉林省科委 “新型視覺引導(dǎo)AGV及自動(dòng)物流運(yùn)輸系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目、長春市政府科計(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。由于JUTIV-3型AGV性能優(yōu)越，智能化程度高，屬國內(nèi)首創(chuàng)，必將會產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院于2003年7月研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，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。轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。車內(nèi)的環(huán)境識別系統(tǒng)識別出道路狀況，測量前方車輛的距離和相對速度，相當(dāng)于駕駛員的眼睛;車載主控計(jì)機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺提供的道路信息、車前車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，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行駛動(dòng)力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動(dòng)作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進(jìn)，起到駕駛員的手和腳的作用。

　　另外，我國清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識別、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)和汽車操縱動(dòng)力等多門學(xué)科于一體的綜合性技術(shù)，汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來作為衡量一個(gè)國家控制技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。智能車輛的相關(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)類的產(chǎn)品推廣，并且對于危險(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)我國在這方面的空白，并對科技、經(jīng)濟(jì)和社會發(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模塊來控制，通過一篇L298來控制兩個(gè)減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制小車的行駛。

　?。?）紅外無線遙控模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小車的無線控制，對其方向的控制。

　?。?）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)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。

　?。?）語音模塊的研究。在尋跡和壁障過程中，加載語音識別項(xiàng)目，下車將根據(jù)特定人發(fā)布的命令，做出相應(yīng)的動(dòng)作，以應(yīng)對復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

　?。?）利用傳感模塊進(jìn)行尋跡和檢測障礙物，并控制智能車的車速。

　?。?）溫度采集。采用DS18b20芯片采集智能車所處環(huán)境的溫度，將溫度模擬信號已經(jīng)在芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機(jī)來讀取數(shù)據(jù)。

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

　?。?）對ZigBee無線傳輸技術(shù)的研究，應(yīng)用ZigBee結(jié)合智能車進(jìn)行安全檢測，包括對受災(zāi)現(xiàn)場人員的定位，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，并對現(xiàn)場環(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，對環(huán)境情況做出預(yù)判。

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

　　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)目中的汽車電子的應(yīng)用產(chǎn)品，屬于資助重點(diǎn)的資助領(lǐng)域。

　　⒉項(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)智能小車的基本功能外，針對特定的現(xiàn)場及PIC32芯片的特點(diǎn)，還開發(fā)了循跡、避障、測速等功能，并實(shí)現(xiàn)圖像的無線傳輸。

　?。?）本項(xiàng)目的總體目標(biāo)提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能消防車實(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）評測終端主要技術(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)圖像識別、行駛狀態(tài)顯示。

　?。?）儀器終端提供測試結(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。