基于Gene8310之嵌入式家庭服務(wù)機(jī)器人

摘  要：為了實現(xiàn)智能家庭服務(wù)機(jī)器人之人臉跟蹤、語音識別、自主移動、動作響應(yīng)、遠(yuǎn)程遙控等功能，采用了基于Gene8310之嵌入式設(shè)備系統(tǒng)，對家庭服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行整體設(shè)計，在硬件上外擴(kuò)相應(yīng)之通訊、傳感、驅(qū)動等系統(tǒng)，在軟件上引入人臉跟蹤，語音識別技術(shù)，實現(xiàn)了機(jī)器人與人之和諧交互。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：實踐證明該系統(tǒng)具有較好之實時性和魯棒性。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

關(guān)鍵詞：Gene8310 家庭服務(wù)機(jī)器人 嵌入式系統(tǒng)

1 引言

　　家庭服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人之發(fā)展方向，是我國進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)研究之突破口。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：家庭服務(wù)機(jī)器人旨在將家庭成員從家居之繁瑣家務(wù)中解放出來，給家庭成員提供幫助、娛樂等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　本文介紹之家庭服務(wù)機(jī)器人如圖1所示。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：機(jī)器人身高140cm，行走驅(qū)動方式采取輪式差動驅(qū)動。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：胳膊是模擬肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)之三自由度結(jié)構(gòu)，采用伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：機(jī)器人上面安裝了攝像頭、麥克風(fēng)接口、觸摸液晶屏、超聲波

圖1 家庭服務(wù)機(jī)器人實物圖

　　傳感器。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：可以與家庭成員完成人機(jī)交互，回答家庭成員之提問問題。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　本文設(shè)計之家庭服務(wù)機(jī)器人是基于Gene8310之嵌入式設(shè)備，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了自主移動、動作表演、人臉跟蹤、語音交互、遠(yuǎn)程遙控等功能，測試表明，本系統(tǒng)具有良好之穩(wěn)定性、使用性和可操作性，可以實現(xiàn)家庭服務(wù)機(jī)器人之各項工作要求。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　Gene8310是Intel推出之一款嵌入式設(shè)備，具有體積小巧，工作穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特性，支持單5V供電工作。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　Gene8310嵌入式主板尺寸長146mm寬101.6mm，內(nèi)置Intel Celeron處理器主頻600MHz， 大可支持1GB之SODIMM內(nèi)存插槽，配有CF卡插槽，硬盤接口，PS2接口、4個USB2.0接口，2個RS232接口，音頻輸入輸出接口，可接CRT/LCD顯示器。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計

　　本文系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

　　針對家庭服務(wù)機(jī)器人之任務(wù)要求，將機(jī)器人控制系統(tǒng)分成以下模塊：嵌入式系統(tǒng)、攝像頭、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、人臉跟蹤系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)等。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：嵌入式系統(tǒng)采用Gene8310微型主板作為硬件平臺，運(yùn)行Windows操作系統(tǒng);人臉跟蹤系統(tǒng)、語音識別系統(tǒng)是運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下面之基于VC之程序;無線通訊系統(tǒng)是基于Q2501B之GPRS通訊模塊;動作控制是基于PIC16F877A之7自由度伺服電機(jī)之控制;行走控制是雙行走輪差動控制之驅(qū)動方式。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　2.2 動作控制系統(tǒng)設(shè)計

　　家庭服務(wù)機(jī)器人之動作主要是讓機(jī)器人模擬人之手臂關(guān)節(jié)，以便機(jī)器人實現(xiàn)人之一些動作，本論文設(shè)計之機(jī)器人手臂有三個自由度，分別模擬人體之肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)抬臂、彎臂、擺臂等動作，一個手臂三個自由度之組合，可以實現(xiàn)握手、揮手、招手等動作，兩個手臂之組合又可以實現(xiàn)鼓掌、擁抱等人之基本動作。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　2.3 行走控制系統(tǒng)設(shè)計

　　家庭服務(wù)機(jī)器人行走控制系統(tǒng)采用之是雙行走輪差動控制之驅(qū)動方式，機(jī)器人之模型如圖3所示。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：這里我們假定機(jī)器人和地面之間是純滾動之，行走輪只旋轉(zhuǎn)不打滑，得到運(yùn)動學(xué)模型公式：

　　式中： （x, y）為機(jī)器人中心O點之參考坐標(biāo);θ為機(jī)器人中心O點之運(yùn)動方向角;ν為機(jī)器人中心O點之速度;ω為機(jī)器人差動轉(zhuǎn)向之角速度。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：　根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，結(jié)合機(jī)器人之結(jié)構(gòu)特點，把機(jī)器人之運(yùn)動簡化為與地面接觸之兩點運(yùn)動，兩點之位置決定了機(jī)器人之位置，兩點之運(yùn)動狀態(tài)決定了機(jī)器人之運(yùn)動狀態(tài)。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：圖3中XOY為全局坐標(biāo)系，xoy為機(jī)器人坐標(biāo)系，O為速度瞬心。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

圖3 家庭服務(wù)機(jī)器人行走控制

　　在此，把前進(jìn)之方向作為正方向，把后退之方向作為負(fù)方向，統(tǒng)一起來分析，設(shè)在某一時刻，左、右行走輪之速度為vL 、vR ，左、右行走輪角速度為ωL、ωR ，在很短之時間間隔Δt 內(nèi)，機(jī)器人之方向和線速度可以近似認(rèn)為不改變。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：兩行走輪與地面接觸點之間之距離（即機(jī)器人兩行走輪之跨距）為l。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　在行走過程中，主控制系統(tǒng)把規(guī)劃好之路徑轉(zhuǎn)變成隨時間變化之兩個獨(dú)立驅(qū)動輪之角速度之控制，通過驅(qū)動器和電動機(jī)，分別去驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，兩個驅(qū)動輪之角速度都要根據(jù)規(guī)劃路徑之變化而變化。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：當(dāng)家庭成員發(fā)出指令讓機(jī)器人去指定地點之時候，機(jī)器人根據(jù)事先規(guī)劃好之路徑自主到達(dá)指定之目之地。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

3 無線通訊

　　家庭服務(wù)機(jī)器人之無線通訊指之是人與機(jī)器人之遠(yuǎn)程通訊， 好利用現(xiàn)有之家庭成員之物件稍加改進(jìn)皆可以實現(xiàn)對服務(wù)機(jī)器人之操作。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：本設(shè)計基于當(dāng)前比較普及之手機(jī)短信來實現(xiàn)對機(jī)器人之遠(yuǎn)程通訊，在機(jī)器人控制系統(tǒng)上加一個手機(jī)模塊，然后通過家庭成員之手機(jī)發(fā)短信來控制機(jī)器人。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　本設(shè)計采用之GPRS模塊為wavecom公司之Q2501B，可以快速、安全、可靠之實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、語音傳輸、短消息服務(wù)，擁有Open AT指令接口，支持文本和PDU模式之短消息，可以方便之通過串口發(fā)送AT指令來操作，值得一提之是，Q2501B模塊內(nèi)部還集成了一個GPS模塊，定位精度3m。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：可以方便之將機(jī)器人之位置信息通過短消息傳送給終端。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

　　機(jī)器人之遠(yuǎn)程遙控主要是通過手機(jī)短信之方式實現(xiàn)之，在外之家庭成員通過自己之手機(jī)給智能家庭服務(wù)機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人收到控制指令執(zhí)行相應(yīng)之動作，如圖4所示。陽光電子學(xué)校維修專家分析認(rèn)為：

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