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        語音控制的多功能輪式機器人的設計與實現

        發布時間:2014-12-21 責任編輯:echolady

        【導讀】從智能小車發展到如今的輪式機器人,已經有數十年的歷史了,本文主要詳述了帶語音控制的多功能無線監控輪式機器人的設計與實現。這一研究成功的彌補了科技領域的空白,具有廣闊的發展前景。

         主要內容

        (1)電機驅動。采取經典的L298模塊來控制,通過一篇L298來控制兩個減速電機的正反轉和停止,從而控制小車的行駛。
        (2)紅外無線遙控模塊的設計,實現小車的無線控制,對其方向的控制。
        (3)光電壁障模塊。根據投光器發出的光束,被物體阻斷或部分反射,受光器最終據此作出判斷反應,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。
        (4)語音模塊的研究。在尋跡和壁障過程中,加載語音識別項目,下車將根據特定人發布的命令,做出相應的動作,以應對復雜多變的工作環境。
        (5)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。
        (6)溫度采集。采用DS18b20芯片采集智能車所處環境的溫度,將溫度模擬信號已經在芯片內部轉換為數字信號,通過單片機來讀取數據。
        (7)利用OV6620對圖像進行采集,并且研究圖像終端的顯示。
        (8)對ZigBee無線傳輸技術的研究,應用ZigBee結合智能車進行安全檢測,包括對受災現場人員的定位,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,并對現場環境具體情況的采集,其中包括溫度,濕度和空氣的各個氣體的含量,對環境情況做出預判。
        (9)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。

        項目計劃及目標

        本項目除了實現智能小車的基本功能外,針對特定的現場及PIC32芯片的特點,還開發了循跡、避障、測速等功能,并實現圖像的無線傳輸。

        (1)本項目的總體目標提供具有自主知識產權的智能消防車實時監控系統一套;
        (2)配套的系統和應用軟件一套;

        技術、質量指標

        (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,使整個系統的穩定性達到了較高的水平。
        (2)評測終端主要技術指標:充分利用PIC32單片機的軟硬件資源。
        (3)增添相應的硬件設備,實現圖像識別、行駛狀態顯示。
        (4)儀器終端提供測試結果的液晶顯示,可將結果實時在外接的顯示器上顯示。
        (5)從視頻信號中采集圖像。
        (6)利用ZigBee實現圖像的無線傳輸,實現對智能小車的周邊影像的監控。
        (7)語音控制智能小車的行為。
        (8)充分利用單片機的外圍接口,使小車的智能性更強。

        主要研究方法

        本項目是集循跡、避障、測速等功能融為一體,采用ZigBee對圖像的無線傳輸。其研究開發方案及技術路線如下:

        (1)小車運動控制電路包括控制電機的選擇,PIC32對電機的控制,控制電路的連接設計和電機控制程序的編寫以及四相反應式步進電機的建模與仿真。
        (2)超聲波產生電路包括超聲波產生的軟件編程,超聲波發射接收的自動控制(R-S觸發器);超聲波接收電路包括信號放大電路、信號濾波電路和信號整形電路,該部分電路主要完成超聲波從接收到輸入單片機,保障信號的純度和可檢測度。超聲波的發射和接收由超聲波發射頭和超聲波接收頭來完成;
        (3)距離顯示電路的主要作用是顯示障礙物距移動小車的距離,該部分主要內容為:外部觸發脈沖頻率的選擇和計數器、譯碼器及顯示器的選擇。
        (4)語音控制電路,利用PIC對小車的行為進行控制。
        (5)小車避障電路主要介紹了機器人的運動學模型和避障過程的設計思想,常用的兩種路徑規劃的方法,并介紹了本設計小車的避障策略及軟件編程,最后對避障程序進行了計算機仿真。
        (6)融合ZigBee無線傳輸協議對車子周邊的環境進行監控。并且嘗試了多通道、多傳感器的綜合運用;

        本項目技術成熟性及可靠性

        本項目所設計的小車在生活中,及各種特殊的環境下都有著重大的應用。在生活里,可以作為消費類的電子娛樂產品,而在一些特殊的場合,它又相當于一個輪式機器人,可以在諸如礦井、火災現場等提供一些幫助,并且將現場拍攝的圖像傳輸至終端來顯示,以達到監控的目的。倘若這個項目研發成功,將給生產廠商帶來巨大的市場需求和經濟效益。

        本項目的技術難點

        (1)系統抗干擾
        由于在不同的環境下,外界干擾對小車相關性能影響影響會不一致,因此對小車的抗干擾性提出了更高的要求。

        (2)避障功能
        對避障這塊的難點是,對障礙物的檢測和相關參數的計算(比如大致尺寸,距離等),以及選擇一個合適的角度,避開目標障礙物。

        (3)實時性
        對小車周邊的環境圖像獲取后,進行無線傳輸。從而達到實時對現場的狀況的檢測。因為PIC32的處理速度是相當有限的,而圖片信息量又相對較大,這注定了圖片傳輸和處理會占用較多的cpu資源,這對實時性提出了嚴峻的挑戰。

        (4)準確性
        對于語音控制部分,控制者發出控制命令,與事先錄入的語音信息匹配,這個過程可能因為控制者兩次講話的音量大小,頻率高低差別以及身體健康程度而出現不匹配從而無法實現控制,因此這需要一套準確的方法來盡量減少這種情況的發生。

        本項目的創新點

        (1) 目標障礙物的識別以及有效規避。
        (2) 紅外控制小車的前進、后退、左轉、右轉、停止、加速、減速。
        (3)研究了ZigBee的無線傳輸,實現了圖像的無線實時傳輸。
        (4)沿著指定路線自動行駛。
        (5) 采用PIC32進行模塊化的設計,使得整個系統成為可擴展性的一體化平臺;在后期可以增添外圍設備,進一步優化填充功能。
        (6)本項目可以實現實時的環境監控機制,對于高危環境下替代人工作業也具有重要的意義。

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