引言

隨著控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能機器人無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是消費電子領(lǐng)域都已經(jīng)扮演了非常重要的角色，已成為人工智能研究和發(fā)展的熱點之一。在語音控制機器人領(lǐng)域，有研究表明已成功地將連續(xù)隱馬爾可夫模型（ CHMM,Centrifugal Pump based onContinuous Hidden Markov Model）模型應(yīng)用于定點數(shù)字信號處理器（DSP, Digital Signal Processor）上，并實現(xiàn)了對機器人的語音控制。關(guān)于傳感測距方面，使用多傳感器快速測量智能機器人與障礙物之間距離的方法，使機器人不僅具備語音識別功能，而且能實現(xiàn)智能避障。而關(guān)于家用室內(nèi)機器人的應(yīng)用也有相關(guān)研究，文獻(xiàn)[4]探究了一種通用并有效的智能移動機器人嵌入式控制平臺，并設(shè)計了一套能滿足要求的低成本的機器人定位系統(tǒng)以及自動充電系統(tǒng)。這里設(shè)計的移動音樂機器人即屬于智能機器人范疇，該音樂機器人集多種功能于一體，不但有陪人玩耍的娛樂功能還有保護(hù)家庭安全的安防功能。

1 總體方案設(shè)計

該移動音樂機器人以英飛凌16 位單片機XE162FN 處理器為核心，英飛凌開發(fā)的16/32 位微控制器具有高度系統(tǒng)集成、無需外設(shè)附加器件及相關(guān)軟件開銷、提供系統(tǒng)安全和故障保護(hù)機制等功能。藍(lán)牙（Blue tooth）是一種全球開放性的、低成本的無線通信規(guī)范。另外，由于藍(lán)牙具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點，設(shè)計采用了藍(lán)牙無線通信技術(shù)，設(shè)計主體為一輪式移動小車機器人，擁有跟隨主人行走、播放音樂、遙控運行、彩燈隨拍手頻率閃爍以及家庭安防等多項功能。機器人的移動采用驅(qū)動直流電機帶動輪子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，跟隨主人行走的功能由紅外發(fā)射與接收來判斷主人手中的手持設(shè)備和移動音樂機器人之間的方位，進(jìn)而驅(qū)動機器人跟隨主人行走。無線遙控運行由藍(lán)牙通信實現(xiàn)。在安防功能上，該移動音樂機器人配備了典型的用于檢測火災(zāi)的煙霧傳感器，并且如果檢測到有煙霧或者煤氣泄露時，本地聲音報警以及通過GSM 無線網(wǎng)絡(luò)控制短信發(fā)送模塊發(fā)送報警短信給指定的手機號碼。GSM 網(wǎng)絡(luò)是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、業(yè)務(wù)種類齊全、信號穩(wěn)定性強、具有較高的保密性和安全性以及靈活的切換處理和自動漫游功能等眾多優(yōu)點。在手持設(shè)備的設(shè)計上，配備了一塊320*240 的觸摸屏以實現(xiàn)直觀方便的無按鍵遙控控制，以及一個加速度傳感器感知傾斜角度從而控制機器人運動。綜上所述，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)移動機器人部分結(jié)構(gòu)框

圖2 系統(tǒng)手持設(shè)備部分結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)的各部分之間的數(shù)據(jù)通訊如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)各部分間的通訊

2 硬件設(shè)計

由于系統(tǒng)的功能較多，硬件部分則主要介紹一些關(guān)鍵部分的硬件設(shè)計。

系統(tǒng)的智能跟隨功能是通過紅外實現(xiàn)的，音樂機器人上的紅外接收器感知到紅外線時，會追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時，會原地旋轉(zhuǎn)重新搜索紅外發(fā)射源，直至重新定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個紅外發(fā)射管組成，將10 個紅外發(fā)射管均勻擺放在一個球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線，保證音樂機器人更加快速準(zhǔn)確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個普通I/O 引腳，控制紅外線的通斷，即接通4 ms,然后關(guān)斷11 ms,反復(fù)進(jìn)行接通與關(guān)斷。10.3 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。

紅外接收裝置采用2 個紅外接收器1838,分別安裝在音樂機器人的頭部和尾部。兩個接收器的輸出引腳分別連接單片機的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發(fā)射源的方位，從而驅(qū)動電機向紅外發(fā)射源的方向前進(jìn)。

圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路

拍手彩燈功能的實現(xiàn)主要分為拍手信號的捕獲和彩燈的旋轉(zhuǎn)點亮，彩燈的旋轉(zhuǎn)點亮較為簡單，但拍手信號捕獲上由于拍手產(chǎn)生的信號不是標(biāo)準(zhǔn)的階躍信號，當(dāng)用示波器進(jìn)行波形的觀察時，實際上波形在上升沿和下降沿的地方出現(xiàn)比較多的毛刺，也就是說一次拍手信號產(chǎn)生了多次階躍信號。如果單片機記錄2 次上升沿的時間間隔時，由于毛刺的存在，使得單片機錯誤的將毛刺當(dāng)做上升沿而捕捉，造成兩次上升沿的時間間隔的變小。解決的辦法是利用包絡(luò)檢測電路進(jìn)行包絡(luò)檢測，再通過電壓比較器選取合適的比較電壓值，從而產(chǎn)生比較理想的階躍信號，即一次拍手產(chǎn)生一次階躍信號。

電路利用麥克風(fēng)采集聲音信號，然后利用LM324 對采集來的信號進(jìn)行比例放大，放大的比例為100 倍，然后接過兩個1N5819 和一個104 獨石電容進(jìn)行包絡(luò)線檢測，最后利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。

機器人的移動采用驅(qū)動直流電機帶動輪子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，即控制直流電機的正反轉(zhuǎn)和速度，系統(tǒng)直流電機驅(qū)動芯片采用SGS 公司的L298N,內(nèi)部有4 通道邏輯驅(qū)動電路。用三極管組成H 型平衡橋，驅(qū)動功率大，驅(qū)動能力強。同時H 型PWM 電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。

圖5 拍手信號捕獲電路

電機的轉(zhuǎn)速取決于3 個因素：負(fù)載、電壓和電流。對于一個給定的負(fù)載，可以通過脈沖寬度調(diào)制的方法來使電機保持穩(wěn)定的速度。通過改變施加在直流電機上的脈沖寬度，可以增加或減小電機的轉(zhuǎn)速。調(diào)整脈沖寬度，即改變占空比，調(diào)整電機的速度。驅(qū)動板采用6 個高速光耦6N137 實現(xiàn)驅(qū)動電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅(qū)動電路與邏輯電路之間的相互干擾。驅(qū)動板的電路原理圖如圖6 所示。

圖6 直流電機驅(qū)動電路

通過軟件編程可以自由改變單片機兩路PWM脈沖信號的占空比，電機的A 端連接PWM 脈沖信號，電機的B 端連接單片機的一個I/O 引腳。當(dāng)這個I/O 引腳置1 時，電流從電機的B 端流向電機的A 端；當(dāng)這個I/O 引腳置0 時，電流從電機的A 端流向電機的B 端，這樣電機就可以改變電機旋轉(zhuǎn)方向，同時控制PWM 脈沖信號的占空比值還可以改變電機旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。通過I/O引腳控制電機旋轉(zhuǎn)方向的示意圖如圖7 所示。

圖7 I/O 引腳控制電機旋轉(zhuǎn)示意

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括上位機控制界面的設(shè)計以及單片機的編程。如圖8 所示，即為用VB 設(shè)計的系統(tǒng)上位機控制界面，就串口開發(fā)而言，VB 提供了串口通信控件MSComm,通過對此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，就可以輕松地實現(xiàn)串口通信。

圖8 上位機控制界面

單片機的編程則包括電機驅(qū)動編程、音樂播放編程、藍(lán)牙收發(fā)編程等，這里截取電機驅(qū)動部分程序為例，如下所示。

4 結(jié)語

這里介紹了基于英飛凌16 位單片機XE162FN的多功能智能機器人的硬件和軟件設(shè)計。該設(shè)計的創(chuàng)新之處在于將智能機器人的娛樂功能和實用的安防功能相結(jié)合，有人在家時，它是一個功能強大互動性強的玩具，無人在家時它是家中衛(wèi)士，時刻監(jiān)控家中情況，并且可以通過短信方式報告。