帶語音控制的多功能無線監(jiān)控輪式機器人

　　一、項目情況

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　　項目由來：

　　對輪式機器人的研究，可以追溯到智能小車的發(fā)展歷程，其實一個功能完備的輪式機器人，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，肩負著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機遇”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“考核標準”。美國宇航局的孿生火星車探測計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，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測計劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個火星日（約相當于地球上的92天），在火星上行駛總里程至少達到600米，至少造訪 8個不同地點，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)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。“勇氣”號成功實現(xiàn)了集通信、拍攝和計算等功能于一身?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭?當火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標，它會驅(qū)動六個輪子向目標行駛;在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。

　　類似火星車，以輪子作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機器人，它通過計算機編程來實現(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算機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、啟停和進退，比較先進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)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(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、設(shè)備檢測等任務(wù);在軍事上，可以在危險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。室外自主移動機器人導(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50年代初，美國BarrettElectronics公司開發(fā)出了世界上第一臺自動引導(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輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟效益，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輸手段。

　　在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計界中，眾多的研究機構(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“移動試驗室”的代名詞，后來用于研發(fā)車載實時圖像處理系統(tǒng)，通過計算機視覺系統(tǒng)來檢測車道軌跡，實現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB~LAB有以下主要特點：車輛前后裝備彩色攝像機，用來檢測車輛外部環(huán)境;兩個實時數(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)安裝的毫米波雷達感知道路左右兩側(cè)環(huán)境;兩個PC處理器處理雷達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現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯誤檢測技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng); 雷達系統(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、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實現(xiàn)道路檢測。利用一臺安裝在后視鏡處的CCD攝像機，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)或點化的車道標志線。前幾幀檢測的車道標志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點區(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，如道路消失點或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計算車道標志線的參考，最后為了處理點劃車道線，可以通過一階多項式曲線來擬合，在進行向量計算。如果檢測到左右車道標志線，就可以利用左右標志線來估計車道中心線;否則也可以利用估計的車道寬度及相關(guān)可視標志來估算中心線。

　　另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）試驗中心、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)航機理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀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引導(dǎo)車的研究對我國獨立自主開發(fā)一種新型自動引導(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-3三種型號的自動引導(dǎo)車輛，其中JLUIV-3實用型視覺導(dǎo)航AGV已投入工廠進行中試，并得到吉林省科委 “新型視覺引導(dǎo)AGV及自動物流運輸系統(tǒng)開發(fā)”項目、長春市政府科計引導(dǎo)計劃新星創(chuàng)業(yè)項目、吉林大學(xué)科技園高新技術(shù)產(chǎn)品孵化項目的立項資助，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)濟效益。

　　中國第一汽車集團公司和國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(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，最高峰值速度為170公里/小時，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標己經(jīng)達到世界先進水平。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，相當于駕駛員的眼睛;車載主控計機和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計算機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)，決定是沿道路前進還是換道準備超車，相當于駕駛員的大腦;自動駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動力學(xué)，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進，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、計算機科學(xué)和汽車操縱動力等多門學(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國家控制技術(shù)水平的重要標準之一。智能車輛的相關(guān)技術(shù)，也將促進輪式機器人的研究。

　　項目的研究意義

　　該項目的研究成功，可以作為消費類的產(chǎn)品推廣，并且對于危險性大的的環(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，該項目研制成功將填補我國在這方面的空白，并對科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。

　　主要內(nèi)容

　　（1）電機驅(qū)動。采取經(jīng)典的L298模塊來控制，通過一篇L298來控制兩個減速電機的正反轉(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，實現(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，加載語音識別項目，下車將根據(jù)特定人發(fā)布的命令，做出相應(yīng)的動作，以應(yīng)對復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

　?。?）利用傳感模塊進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，通過單片機來讀取數(shù)據(jù)。

　　（7）利用OV6620對圖像進行采集，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，智能車上還可以擴展一些外圍模塊來增加其智能性，比如物品搬運，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。

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

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　　項目總體目標

　　本項目提供：

　　本項目除了實現(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，還開發(fā)了循跡、避障、測速等功能，并實現(xiàn)圖像的無線傳輸。

　　（1）本項目的總體目標提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能消防車實時監(jiān)控系統(tǒng)一套;

　?。?）配套的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一套;

　　技術(shù)、質(zhì)量指標

　　（1）將循跡、避障、測速等功能融為一體，嘗試了多通道、多傳感器的綜合運用，采用了較為精確的方向控制策略，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性達到了較高的水平。（2）評測終端主要技術(shù)指標：充分利用PIC32單片機的軟硬件資源。

　　（3）增添相應(yīng)的硬件設(shè)備，實現(xiàn)圖像識別、行駛狀態(tài)顯示。

　　（4）儀器終端提供測試結(jié)果的液晶顯示，可將結(jié)果實時在外接的顯示器上顯示。