家居物联网机器人

1、家居物联网机器人0背景及意义机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制 最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化，尤 其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大 的成功。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地 感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。 一方面随着各个国家老龄化越来越严重，更多的老 人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫， 老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增 大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年 轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生 的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方面随着 工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的 应用领域在不断拓宽，服务机器

2、人将更加广泛地代 替人从事各种生产作业，使人类从繁重的、重复单 调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救 灾这些等等。目前，物联网机器人普遍采用监督控制模式。机器人自身具有较高的自主性，而网络技术又给客户端提供远程控制操作的手段。远程客户端可以通过网络接受机器人视觉、听觉等反馈信息，并且可以根据这些信息来指导自己的决策，发布控制命令，控制机器人的执行机构完成指定任务。全球各国日益严重的老龄化问题和提高残疾人生活质量的迫切需要，使得面向老人/残疾人的陪护机器人、 助行机器人、康复机器人，开始走入普通家庭。将机器人应用于家庭环 境，实现人对家用电器的远程控制

3、，提高大众的生活质量的服务型机器人，也逐步进入人们的视野，并成为世界范围内的研究热点。1 功能介绍功能描述序号功能模块项目详细介绍1基础服务功能1、室内巡航2、语音识别3、运输少量物品4、自动充电特点1、车体具有臂章功能与边沿检测功能， 装有可旋转的头部（摄像头），保证方便 在室内巡航且不会掉落到楼下；2、控制平台通过安装的音频感应器识别使用者发出的特疋的语言指令，并根据指令执行相应的任务；3、车体可以负载少量物品，并将其运送 至指定位置，以完成帮使用者搬运物品的 任务；4、控制平台有电源管理功能，在电量不 足是自动运动至充电插座处进行充电。2物联网功能机器控制平台控制家庭各电器的运行，并与互

4、联网连接，且可以通过电信进行通信特点使用者可以远程控制机器本体，包括机器 的开启、停止与发送指令；控制平台与电 器通过无线网络连接，如通过蓝牙技术或 无线局域网技术，通过控制平台发出的指 令来指导电器的开关和运行状态。使用者 可以仅仅向机器发出特定指令，控制平台通过语音识别接收指令， 然后通过无线网 络控制家中的电的运行，如电视的开闭、 音量大小的调节、空调温度的调节等；还 可以令控制平台与互联网相连，使控制平 台可以向使用者汇报互联网上更新的某 些信息，如天气；还可以使机器与手机联 系起来，使使用者能够通过手机控制电 器，如发短信控制空调的开启，控制平台 也可以将一些信息发送给使用者的手机

5、上。3安全保护功能对火灾、煤气泄漏、非法侵入等情况做出 及时有效的措施特点控制平台通过对热源的感应，判断是否发 生火灾，并在判断发生火灾后实施应急措 施，如发出警报声、向使用者的手机上发 送特定信息或直接向119发送信息，如果 机体上装有灭火装置，可以令其直接寻找 火源并实施灭火；通过嗅觉（气体）传感 器感应空气中煤气含量以判断是否发生 煤气泄漏，并在判断出已经出现泄漏后， 做出反应，如发出警报声、发送信息给使 用者、打开窗户并切断电源以防爆炸；通过安装在门锁和窗户上的传感器，当给感应到门锁或窗户被以非正常的步骤打开 后判定为有人非法侵入，控制平台发出警 报或信息等。总结家庭管理功能机器可以根

6、据使用者医院来管理家中的 各项事务，具有服务、娱乐、安全防护的特点综合功能机器本身具有视觉识别、移动、壁障的能 力，可以完成诸如清扫地面、室内巡视、 搬运物品等任务，更主要的是机器上的控 制平台通过无线网络连接来控制各种家 电和门窗，是使用者可以仅仅通过远程向 控制平台发出简单的指令便可以完全控 制家中的各项事物，并且通过机器水泥工 安装的气体、温度传感器及门窗上的传感 器来判断家中的安全性， 此外还具有一定 的娱乐功能。2 家居物联网机器人功能的系统结构及实现方法2.1自动避蹄控制系统的设计思想左电机支伴轮右电机弃编码器右编码器（酣底盘机构多超走遊轡器i传感器层采駄及功能传感器发送环境信息）

7、 = r da- d一 i_4 _ =_ 三、匚处埠机决策层（路径识 iuoK.fe息采集卡别、跟踪控制）| tu* .二 a * x 亠亠 '电机驱动器.电源仇）层次结构2.1.1感知周围未知环境超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。利用超声波检测往往比较 迅速方便计算简单易于做到实时控制并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。本研究采用超声波测距方法为家居物联网机器人识别其运动的周围环境提供一个准确的运动距离信 息，采用3个超声波传感器，分别在机器人的正前方和左右两边。2.1.2超声波测距原理超声波测距采用时间差测距法， 即超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射

8、时刻的同 时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波接收器收到反射 波就立即停止计时，根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离。2.1.3实践原理为了使移动机器人能自动避障行走， 就必须装备测距系统， 以使其及时获取障碍物的距 离信息（距离和方向）。本移动机器人采用的三方向（前、左、右）超声波测距系统，为机器人 了解其前方、左侧和右侧的环境提供了运动距离信息。 在行走过程中，机器人根据其超声波数据和自身的运动状态来修正运动位姿，并进行运动参数设置或状态变换，且在避开障碍物后，能返回设定运动路线上继续移动。2.1.4机器人定位1斗

9、 i 4FlTr该清洁机器人的定位是基于光电编码器的“车轮脉冲定位” 方式的。根据清洁机器人的工作环境，建立一个以地面为XY平面，以一个运动周期开始时清洁机器人的中心为原点的直 角坐标系，在此运动周期结束时进行一次计算，用来描述清洁机器人在一个运动周期后相对于这个运动周期前位姿的变化情况。清洁机器人只在XY平面内做二维平面运动，所以根据图2所示的几何关系，得到下列算式：Ax = L x cosAaAy = £ x sinAa£ = 2 x （# + jcosAa2Aa + 创3 =V2 xT N2 x T x S仔计亠LV2TN2xSxTNt xS xT-他 xS x TN

10、1，N2表示运算周期内光电编码器轮 1、轮2的脉冲数；s表示光栅单位脉冲驱动轮前进 的距离；T表示运算周期；式中变量、y以及角度均是驱动轮距 D和驱动轮旋转半径R的函数。 这种方法在室内平整光滑的地面上，通过对左右驱动轮上光栅编码器脉冲数的计算和对输入左右步进电机脉冲频率的控制，基本可以达到对清洁机器人简单行为动作的控制。图2中，D表示清洁机器人两轮的间距；表示轮2的旋转半径；表示运算时间内的直线运动距离；口表示清洁机器人围绕z轴的旋转角度；VI、v2表示两轮转动的速度。2.1.5避障的动力系统实现RoMeo板KC总线如图所示，三个超声波传感器用I2C总线串接，接到Rome板上（Rome板有I

11、2C接口）。Rome板既负责环境感知，又负责电机控制与驱动。Rome板的的串口与ARM板连接，ARM9获取Rome扳已处理过的环境中障碍物的距离数据、根据光电编码器脉冲数估计出的轮速信 息，进一步估算自身的位置和姿态，从而规划出下一步的动作，把这个动作转换为期望的电机转速，发送给Rome板,而Rome板根据这个期望值，去调节电机转速，从而按照预想的动作去运动。2.2语音控制家电2.2.1.项目概述本文设计的基于ARM和蓝牙技术的远程传输系统，实现语音远程控制家电的开与关。在硬件方面：CPU选择了 S3C2410, S3C241C处理器是Samsung公司基于ARI公司的ARM920处理器 核，

12、采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB旨令Cache和16KB数据Cache, MMU支持 TFT勺 LCD制器，NAN闪存控制器，3路UART4路 DMA4路带 PWI的Timer , I/O 口，RTC 8路 10位ADC Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2个US咗机， 1个US殴备，SD主机和MM接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在 203MHz语音控制方 面，本文采用凌阳16位微处理器芯片SPCE061为核心.由于芯片内置的存储空间有限，为了运行较复杂的识别程序，必须通过扩展必要的存储芯片完成其系统

13、的功能，另外为了实现与机器人的通信，采用有线方案通过RS232接 口将控制数据传至ARM主处理器，以驱动机器人工作.数据双向传输使用了蓝牙技术，一种短距离无线通信技术，通信距离在10m- 100m范围内，用在家庭内部组网非常合适， 而且随着蓝牙技术的不断成熟，蓝牙芯片的批量生产，其价格也在不断被广大普通用户所接受。软件方面，嵌入式操作系统 Linux。Linux有许多有点：一个稳定的系统、免费或少许费用、安全性好、多人多工、使用者和群组规戈恰理、 耗资源少、适合需要小核心程式的嵌入式系统以及图形界面（GUI）多种多样。Linux操作系统经过几十年的发展，以非常成熟，非常适合做嵌入式开发。项目的

14、总结构流程图如下：2.2.2项目设计.语音识别1.1语音识别器硬件设计一个基于SPACE061的嵌入式语音控制器硬件部分所包括的模块如图所示.通信模块SPCE061有一路专用于语音信号采集的 A/ D转换电路（MIC输入），可以用来采集语音信 号，以进行语音识别.因为SPCE061处理芯片是高集成的系统化固件，语音识别的硬件电路较易实现.MIC选用驻极体话筒.驻极体话筒的偏压由SPCE061A的VMIC脚提供.MIC输入模块只需外接3个电阻和3个电容.SPCE061提供双通道10位 D/ A输出AUD1 AUD2其中每个DAC 通道的输出能力为3 mA用于输出语音信号，考虑到功耗问题，采用单通

15、道AUD输出.功放和喇叭输出模块只需要接三极管8050和2个电阻、1个电容口， u' nSP内核是一个通用的核结构.除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小，可有可无借助这 种通用结构附加可选结构的积木式构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本.1.2语音识别器软件设计由于SPCE061A处理芯片已封装了高效的语音播放及识别接口函数，所以在程序编写之 前，就应先建立语音命令模型库， 包括提示性的语音播放命令及程序内部操作处理命令等.语音命令的录制采用凌阳科技所提供的音频编码算法先在PC机上录好提示语音

16、文件（开始程序一附件 娱乐一录音机，wAVt件），并经凌阳科技提供的压缩工具压缩处理成二进制文件 加载到用户程序，编译链接后存储到单片机FLASH中，播放时再解压缩送 D/ A还原出语音、识别处理时，进行相应的转换以发出预期的控制指令凌阳科技公司提供3种不同压缩率的算法表1是各种压缩算法名称及编码率类型.表1音频压缩算法函数川压缩算法名称语音压缩编码率类型SACI A2000 16KB / S、20KB/ s、24KB/ sSACM一$480 4 . 8KB/s、7. 2KB/sSAC一 $2402. 4KB/ s这3种压缩算法的区别在于压缩率不同、音质也不 同.SACI A2000压缩率相对

17、较小，音质较好，相应的资源 占用较多；SAC一 8240的压缩率最大，音质相对较差；SACM一 $480介于这两者之间.每种算法都有完整的库函数供程序 调用，软件编写非常方便.综合考虑存贮的空间、程序的识 别效果，本语音控制器采用 SAC一 $480算法.采用凌阳 SPACE061芯片作为进行语音识别处理的平台，开发针对特 定人的语音识别见图3所示.1.3语音识别的实现SPCE061A芯片的集成开发环境除为用户提供了高效的 语音识别的接口函数外， 还为用户提供了类似于 VC+啲友好 开发界面，可以实时跟踪处理程序中的语法及逻辑错误，极图3主程序大地方便了用户的开发应用.在系统方案的选取及程序的

18、开发中，语音的识别及处理是整个系统的核心及难点.识别对象的选取会对程序运行、识别的效果及实用性起决定的作用应根据具体的应用情况选择决定，以获得最佳的识别效率.语音识别的对象总体上分为特定发音人识别(Speaker Depe nde nt)和非特定发音人识别(Speaker Indepen-dent)两种方式.其中特定发音人识别是指语音样板由单个人训练，对确 定训练人的语音命令识别准确率较高，而其他人的语音命令识别准确率较低或不识别.为了降低开发的难度，提高语音控制器的实际的使用效能，本语音控制器采用特定发音人识别方式.即本语音控制器适用于某个具体的特定的对象.程序设计的最终目的是根据人的语音命

19、令进行相应的处理，程序的响应、处理并转换成相应的控制指令，其依靠的转换平台就是语音的识别处理.语音识别的处理分为语音样板训练和语音识别两个过程.可将先前植入的标准命令模式的存储空间称之为“词库”，而把标准命令模式称之为“样板” 所谓语音样板 训练，就是将待识别的命令进行频谱分析，提取特征参数作为识别的标准模式.语音识别的过程就是将提取语音命令的特征参数，与词库中的命令样板比较，取相似度最好的样板命令序号作为识别结果，以供程序进行处理.凌阳科技提供语音样板训练工具和语音识别库函数， 每次可以识别3O条语句命令，命令较多则可以分多组进行语音识别流程见图4所示.图4语音识別序流程图.蓝牙远程控制2.

20、1硬件设计ffl 1-1哽件结构框图2.2软件设计2.3自动充电当移动机器人需要补充电力时，会自动驶向指定充电区，车载充电连接器与地面充电系统自动实现电连接并实施充电。充电完成后机器人自动脱离充电系统，驶向工作区或待命区投入正常运行，其特点是整个充电过程全部实现自动化、智能化，无需专人看管。机器人采感应充电的方式来充电，用感应充电是一种利用电磁感应原理通过非接触的 耦合方式进行能量传递的充电方式。系统结构如下图所示控制单兀充电座侧机器人侧充电源和机器人接受装置之间由分离的高频变压器组合成耦合器，通过感应耦合，无 接触式地传输能量。 输入电网交流电经过整流后，通过高频逆变环节， 经电缆传输通过感

21、应耦合器后，传送到机器人的输入端， 再经过整流滤波环节，给机器人所带蓄电池充电。感应耦合器的磁耦合装置原副边之间分开更大距离，充电源安装在某一固定地点，一旦机器人停靠在这一固定区域位置上，就可以无接触式地接受充电源的能量，实现感应充电，无须人工干预，实现了全自动充电。采用该系统为机器人充电可以保证能量和信号的安全、可靠传输。移动机器人自动充电的过程主要为是寻找并靠近充电区域。把机器人看成一个质点， 并不考虑机器人本身的姿态， 当机器人进入充电区域时， 需要根据传感器信息进行位姿调整， 以满足相对充电座位置和角度的要求。由于一般的传感器仅对远程或近程有效，所以大多数搜索充电座远程对接开始创歩定位荊确定位调竇后退充电开始的自主充电系统一般配有 2套不同的传感器及对接程序，其程序流程如下图所示。远程对接时，如果在固定已知环境下，机器人能够利用内建环境地图进行位姿的校正 很容易找到充电区域； 但在未知环境下，由于需要在远距离方位发现充电区域所在方位，所以需要在充电座所在的合适位置设置机器人易于识别的特殊标识。可以通过设置红外线信号灯来给机器人提供充电区域的位置信息。成功停靠后，机器人开始充电并监控电池电压状态，如果电压达到指定电压则表明电 池已经充满，机器人和充电座脱离，并继续执行原来任务。2.4安全功能安全防护包括防火、防盗、防煤气泄漏等。而完成以上任务主要需要完成探测周围