带语音控制的多功能无线监控轮式机器人

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一、项目情况
          （一）总论
          ⒈项目简介
          项目由来：
          对轮式机器人的研究，可以追溯到智能小车的发展历程，其实一个功能完备的轮式机器人，在本质上就是一台智能小车，因此对本文中的出现的智能小车，也代表轮式机器人。下面我们来回顾一下智能小车的发展历史。
           
          2004年1月3日和1月24日，肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号分别在火星不同区域着陆，并于2004年4月5日和2004年4月26日相继通过所有“考核标准”。美国宇航局的孪生火星车探测计划至此正式宣告取得圆满成功。美国宇航局科学家和工程师事先设立了一系列硬指标，作为判定两辆火星车联合探测计划是否成功的依据。按照规定，每辆火星车都需要至少工作90个火星日(约相当于地球上的92天)，在火星上行驶总里程至少达到600米，至少造访8个不同地点，必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。“勇气”号是迄今美国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。“勇气”号成功实现了集通信、拍摄和计算等功能于一身。火星车能够在火星上自主行驶;当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六个轮子向目标行驶;在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径。
           
          类似火星车，以轮子作为移动机构、能够实现自主行驶的机器人，我们称之为智能小车，又称轮式机器人，它通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方式。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种。与智能小车不同的是：遥控小车需要操作员来控制其转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车;
           
          智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自主行驶等功能于一身的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。它最适合在那些人类无法工作的环境中工作，它们已在许多工业部门获得广泛应用。
           
          由于工业现场中大多数恶劣环境和危险环境中仍采用的人工的操作方式，这促使了我们对智能车的研究和开发。它在各个领域都具有广泛的应用前景：如在工业生产中，可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运、设备检测等任务;在军事上，可以在危险地带代替人类完成侦察、排雷等任务;在民用上，可以作为导盲车为盲人提供帮助;在科学研究方面，可以代替人类完成外星球勘探或者一矿藏勘探等。智能车按照工作环境下要分为室外智能车和室内智能车两种，这两种环境有着较大的区别。室外环境一般较开阔，受光照、天气、时间等的影响，环境变化很大，既包括简单的结构化环境也包括复杂的非结构化环境。室外自主移动机器人导航一般要求更高的智能。室内环境一般较狭窄，光线较稳定且环境复杂程度有限，一般视作结构化环境。
           
          国内外研究现状
          智能小车和智能车辆的研究是息息相关的，我们可以将智能小车看成是智能车辆的模型，对智能小车的研究，其应用的很大一个方面便是在智能车辆行业。下面我们就来了解一下国内外对智能车辆的研究历史。
           
          1、国外智能车辆的研究
          智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国BarrettElectronics公司开发出了世界上第一台自动引导车辆系统(AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVs)。1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与Schiinder一Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。
           
          在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括:
          意大利MOB一LAB的研究：MOB一LAB是开放“移动试验室”的代名词，后来用于研发车载实时图像处理系统，通过计算机视觉系统来检测车道轨迹，实现车辆自主驾驶。MOB~LAB有以下主要特点:车辆前后装备彩色摄像机，用来检测车辆外部环境;两个实时数字图像处理器(利用相应算法结构，以200ms一幅图像速度分析图像);4个车载传感器来测量横向和纵向车辆加速度;在车辆左右侧安装的毫米波雷达感知道路左右两侧环境;两个PC处理器处理雷达和其他融合的传感器数据;
           
          美国俄亥俄州立大学的研究：美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术:基于视觉的系统;雷达系统(检测与车道的横向位置);激光扫描测距器(障碍物检测);其他传感器，如侧向雷达、转向陀螺仪。利用基于视觉的方法实现道路检测。利用一台安装在后视镜处的CCD摄像机，位置要尽可能高，车道检测系统可以处理这样的单幅灰度图像。算法假设道路是水平地，并且有连续或点化的车道标志线。前几帧检测的车道标志线数据也用来决定下一步兴趣热点区域，以简化图像处理。算法从图像中提取出重要的亮域，并以向量行驶存储，如道路消失点或道宽这样的数据参数，都可以作为计算车道标志线的参考，最后为了处理点划车道线，可以通过一阶多项式曲线来拟合，在进行向量计算。如果检测到左右车道标志线，就可以利用左右标志线来估计车道中心线;否则也可以利用估计的车道宽度及相关可视标志来估算中心线。
           
          另外，斯特拉斯堡(Strasbourg)试验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。
        2、国内智能车辆的研究
          吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来，课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化提供了有意义的技术支撑和关键设备。课题组己开发出JUTIV-1、JUTIV-2和JLUIV-3三种型号的自动引导车辆，其中JLUIV-3实用型视觉导航AGV已投入工厂进行中试，并得到吉林省科委“新型视觉引导AGV及自动物流运输系统开发”项目、长春市政府科计引导计划新星创业项目、吉林大学科技园高新技术产品孵化项目的立项资助，目前该种AGV已完成商品化研制，即将投入市场。由于JUTIV-3型AGV性能优越，智能化程度高，属国内首创，必将会产生重大的社会效益和经济效益。
           
          中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年7月研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下，在高速公路上行驶的最高稳定速度为130公里/小时，最高峰值速度为170公里/小时，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标己经达到世界先进水平。轿车自主驾驶的基本原理是仿人驾驶。车内的环境识别系统识别出道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛;车载主控计机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前车辆情况以及自身的行驶状态，决定是沿道路前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑;自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘控制器、油门控制器和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。
           
          另外，我国清华大学、北京理工大学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将促进轮式机器人的研究。
           
          项目的研究意义
          该项目的研究成功，可以作为消费类的产品推广，并且对于危险性大的的环境也同样起到很大的作用，比如矿井下的人员救助等方面，且本产品是自主创新，具有自主知识产权，具有广泛的应用前景，该项目研制成功将填补我国在这方面的空白，并对科技、经济和社会发展产生较大的影响。
           
          主要内容
           
          （1）电机驱动。采取经典的L298模块来控制，通过一篇L298来控制两个减速电机的正反转和停止，从而控制小车的行驶。
           
          （2）红外无线遥控模块的设计，实现小车的无线控制，对其方向的控制。
           
          （3）光电壁障模块。根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
           
          （4）语音模块的研究。在寻迹和壁障过程中，加载语音识别项目，下车将根据特定人发布的命令，做出相应的动作，以应对复杂多变的工作环境。
           
          (5) 利用传感模块进行寻迹和检测障碍物，并控制智能车的车速。
           
          (6) 温度采集。采用DS18b20芯片采集智能车所处环境的温度，将温度模拟信号已经在芯片内部转换为数字信号，通过单片机来读取数据。
           
          (7) 利用OV6620对图像进行采集，并且研究图像终端的显示。
           
          (8) 对ZigBee无线传输技术的研究，应用ZigBee结合智能车进行安全检测，包括对受灾现场人员的定位，并且采集其生命特征，包括心跳、温度和血压等，确定人员的生命体征，并对现场环境具体情况的采集，其中包括温度，湿度和空气的各个气体的含量，对环境情况做出预判。
           
          （9）另外，智能车上还可以扩展一些外围模块来增加其智能性，比如物品搬运，防盗等功能。这样小车的智能性会更加全面，功能也会更加完善。
           
          本科研项目符合产学研紧密结合的技术热点和难点，属于电子与通信项目中的汽车电子的应用产品，属于资助重点的资助领域。
           
          ⒉项目计划及目标
           

       

•                 项目总体目标
  

          本项目提供：
          本项目除了实现智能小车的基本功能外，针对特定的现场及PIC32芯片的特点，还开发了循迹、避障、测速等功能，并实现图像的无线传输。
           
          （1）本项目的总体目标提供具有自主知识产权的智能消防车实时监控系统一套；
           
          （2）配套的系统和应用软件一套；
           

       

•                 技术、质量指标
  

          （1）将循迹、避障、测速等功能融为一体，尝试了多通道、多传感器的综合运用，采用了较为精确的方向控制策略，使整个系统的稳定性达到了较高的水平。
           
          （2）评测终端主要技术指标：充分利用PIC32单片机的软硬件资源。
           
          （3）增添相应的硬件设备，实现图像识别、行驶状态显示。
           
          （4）仪器终端提供测试结果的液晶显示，可将结果实时在外接的显示器上显示。
           
          （5）从视频信号中采集图像。
           
          （6）利用ZigBee实现图像的无线传输，实现对智能小车的周边影像的监控。
           
          （7）语音控制智能小车的行为。
           
          （8）充分利用单片机的外围接口，使小车的智能性更强。
        （二）项目研究可行性分析
          ⒈目前本项目的研究概况、主要研究方法及协作条件；
           
          我们之所以选择智能小车是因为对它的研究可以仿效移动机器人的研究，国内在移动机器人的研究上，主要的工作有：
           
          清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究;基于传感器信息的局部路径规划技术研究;路径规划的仿真技术研究;传感技术、信息融合技术研究:智能移动机器人的设计和实现。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人，哈工大19%年研制的导游机器人等。
           
          关于本项目，对PIC32单片机有了一定的研究基础，对智能小车实现的各个模块上有了整体的思路并确定方案，并且得到了老师的大力支持。
           
          主要研究方法：
          本项目是集循迹、避障、测速等功能融为一体，采用ZigBee对图像的无线传输。其研究开发方案及技术路线如下：
           
          （1）小车运动控制电路包括控制电机的选择，PIC32对电机的控制，控制电路的连接设计和电机控制程序的编写以及四相反应式步进电机的建模与仿真。
           
          （2）超声波产生电路包括超声波产生的软件编程，超声波发射接收的自动控制(R-S触发器)；超声波接收电路包括信号放大电路、信号滤波电路和信号整形电路，该部分电路主要完成超声波从接收到输入单片机，保障信号的纯度和可检测度。超声波的发射和接收由超声波发射头和超声波接收头来完成；
          （3）距离显示电路的主要作用是显示障碍物距移动小车的距离，该部分主要内容为:外部触发脉冲频率的选择和计数器、译码器及显示器的选择。
           
          （4）语音控制电路，利用PIC对小车的行为进行控制。
           
          （5）小车避障电路主要介绍了机器人的运动学模型和避障过程的设计思想，常用的两种路径规划的方法，并介绍了本设计小车的避障策略及软件编程，最后对避障程序进行了计算机仿真。
           
          （6）融合ZigBee无线传输协议对车子周边的环境进行监控。并且尝试了多通道、多传感器的综合运用；
           
          ⒉本项目技术成熟性及可靠性；
          本项目所设计的小车在生活中，及各种特殊的环境下都有着重大的应用。在生活里，可以作为消费类的电子娱乐产品，而在一些特殊的场合，它又相当于一个轮式机器人，可以在诸如矿井、火灾现场等提供一些帮助，并且将现场拍摄的图像传输至终端来显示，以达到监控的目的。倘若这个项目研发成功，将给生产厂商带来巨大的市场需求和经济效益。
           
          ⒊本项目的技术难点：
          (1)系统抗干扰
          由于在不同的环境下，外界干扰对小车相关性能影响影响会不一致，因此对小车的抗干扰性提出了更高的要求。
           
          (2)避障功能
          对避障这块的难点是，对障碍物的检测和相关参数的计算（比如大致尺寸，距离等），以及选择一个合适的角度，避开目标障碍物。
           
          (3)实时性
          对小车周边的环境图像获取后，进行无线传输。从而达到实时对现场的状况的检测。因为PIC32的处理速度是相当有限的，而图片信息量又相对较大，这注定了图片传输和处理会占用较多的cpu资源，这对实时性提出了严峻的挑战。
           
          (4)准确性
          对于语音控制部分，控制者发出控制命令，与事先录入的语音信息匹配，这个过程可能因为控制者两次讲话的音量大小，频率高低差别以及身体健康程度而出现不匹配从而无法实现控制，因此这需要一套准确的方法来尽量减少这种情况的发生。
        ⒋本项目的创新点
          (1) 目标障碍物的识别以及有效规避。
          (2) 红外控制小车的前进、后退、左转、右转、停止、加速、减速。
          (3) 研究了ZigBee的无线传输，实现了图像的无线实时传输。
          (4) 沿着指定路线自动行驶。
          (5) 采用PIC32进行模块化的设计，使得整个系统成为可扩展性的一体化平台；在后期可以增添外围设备，进一步优化填充功能。
          （6）本项目可以实现实时的环境监控机制，对于高危环境下替代人工作业也具有重要的意义。
           
          5、项目的风险性及不确定性分析
          对项目的风险性及不确定因素进行识别，包括技术风险、市场风险、政策风险等。
           
           由于智能小车的研究时间已经有相当长一段时间，在这期间积累了大量的资料和文献可供参考，所以可以说我们是站在前人的肩膀上，我们将走得更远。要完成这个项目，风险是相对较小的，但一切都得我们亲力亲为，虽然在理论方面已经铺平了道路，但是要真正地实现，还需要一段时间，在这期间也难免会碰到不少困难，但是我们相信，只要大家齐心协力，不畏惧困难，一定会攻克所有难关，最终到达胜利的彼岸。
           
          在市场方面，众多企业和研究机构都希望能够推出各自的性价比高的智能小车监控系统，填补该领域的空白，从而占领这片潜力巨大的市场。该项目的投入既可以填补国内实时高性价比的智能小车的空白，又起到监控周边环境的能力。
           
          智能小车的成功研制不仅可以作为一种玩具推广到市场，而且能在特殊的高危环境下起到巨大的作用。该项目的尽快投入将有一个良好的发展契机。在国际和国内都有广阔的发展需求空间，是一个高效益的项目。该仪器设计具有简单、轻便、灵活、达到产业化所要求的质量标准。本项目已对技术进行了充分调研和评估，已将技术风险降到了最低，同时提出了优化最优的技术实现方案；对于市场亦进行了充分有效的评估和调研，已将风险努力降到了最低，具有广阔的应用前景。