智能家居機器人仿真教學平臺的研究與實現

熊 英 黃亞輝 石英春湖南信息職業技術學院電子工程系 湖南長沙 410200

?

智能家居機器人仿真教學平臺的研究與實現

熊 英 黃亞輝 石英春
湖南信息職業技術學院電子工程系 湖南長沙 410200

摘 要：經過充分調研，根據我國大多數智能家居機器人的特點設計了典型的家居機器人模型，開發成功了智能家居機器人仿真教學培訓系統，為學生提供了一個接近于真實環境更有利于教學培訓的平臺。該平臺應用之后取得了優異的成績。

關鍵詞：智能家居機器人；仿真；教學平臺

智能家居機器人是服務機器人的一種，服務機器人是一種半自主或者全自動的移動機器人，主要從事非生產類的活動，它能幫助人們省時省力地完成服務工作。目前，在發達國家里，智能清潔機器人已經被廣泛地用于家庭、辦公室、機場等室內的清掃，節省了大量的勞動力和時間［1］。國內的機器人學習，由于傳統實驗室的實驗成本與場所的限制，存在以下不足。（1）學生不易見到真正的應用型機器人，特別是一些服務機器人的應急操作在日常生產中很少出現，而這些對學生而言恰恰是非常重要的。（2）學員動手操作機會少，更談不上操作練習，學生難于學會操作技巧。（3）學員看不到操作與相關參數的內在關系，難于建立理論與實踐之間的聯系。仿真教學能有效地彌補以上不足［1，2］。

組建智能家居機器人創新性教學平臺能為高等院校的學生和教師提供一個綜合的專業機器人教育和研究平臺，能通過系統的方法對實踐教學內容、方法和手段進行創新，進而引導學生進行單片機和微控制器、數字電子和模擬電子、數字邏輯、檢測技術與傳感器等課程進行融會和貫通。鼓勵學生利用學科交叉的知識，打破孤立的知識體系，不同專業學生組成團隊，進行多學科綜合性的創新性設計和驗證。

目前，計算機和網絡技術廣泛普及，為仿真教學提供了良好的條件。經過充分的調研，根據我國大多智能家居機器人的特點設計了典型的機器人模型，成功開發了智能家居機器人仿真教學培訓系統，為學生提供了一個接近于現場更有利于教學培訓的平臺。

1　系統的構成及原理

從機器的系統來看，分為嵌入式控制器系統、單片機控制系統、電機驅動系統、傳感器檢測系統、嵌入式控制系列主要負責大量運算和圖像視覺處理的支持和顯示，相當于一個微型計算機控制器。

圖1　機器人控制系統

單片機控制系統比較底層，主要用來控制傳感器和電機驅動電路，驅動電機電路主要用來控制機器人運動，傳感器系統用來感知當前環境，這是一個完善的智能閉合控制，可以增加更多的傳感器，使機器人更加智能化，從服務機器人的功能角度來看，本服務機器人模擬了人的機器人的視覺系統、機器人觸覺系統、機器人聽覺系統、還具有較強的人機交互。

2　硬件控制系統的設計

智能家居機器人控制系統的硬件電路由以下基本單元組成［2］。

圖2　智能家居機器人控制系統組成

電源電路：本控制板的電源系統比較簡潔，直接采用外部電源6 V～9 V供電，通過了降壓芯片產生整個系統所需的兩種電壓：3.3 V，5 V電壓，如圖3所示。

圖3　控制系統板電源電路

底層控制電路：底層控制電路由嵌入式控制電路部分和底層驅動控制部分組成，嵌入式控制電路部分主要負責跑操作系統和驅動液晶顯示和嵌入式攝像頭等USB設備，相當于一個微型的計算機系統，底層驅動電路部分主要是由單片機控制器和傳感器電路組成，起到傳感器的控制和邏輯判斷和驅動電機轉動等功能，底層控制板電路如圖4所示。

傳感器電路：傳感器電路主要包括了RIR人體熱釋電模塊接口電路，IR Control紅外測距模塊，語音識別模塊電路，超聲波模塊電路接口電路，這里包括的傳感器都為成熟的模塊（如圖5所示）。

本次用于仿真教學的智能家居機器人，其控制系統硬件主板外觀如圖6所示［3］。

圖4　底層控制系統板電路

圖5　傳感器接口電路

圖6　智能家居機器人硬件主板外觀

3　應用軟件的開發

智能家居機器嵌入式軟件系統是基于Raspbian Linux發行版本開發的，用戶可以在登錄后手動啟動桌面環境。

圖7　Raspbian啟動示意圖

當用戶成功登錄后，看到的仍然是無趣的命令提示符，輸入指令可以啟動Linux桌面環境，稍后控制系統板的顯示屏上會展現一個具有美麗背景的桌面，如圖8所示。

圖8　智能控制系統顯示桌面

本控制系統采用python語言作為軟件的開發語言，其代碼非常清晰，安裝和設置運行環境容易。尤其可以在網絡上一起分享代碼或共同分析、解決問題，方便學生學習。

以語音識別模塊與機器人動作控制程序設計為例，基于語音識別模塊控制機器人動作時，首先需要通過語音配置上位機，把需要的關鍵字讓語音識別模塊能夠認識。一旦發出匹配的語音，語音識別模塊就會通過串口發出4個字節的匹配地址命令，底層控制板接收到4個字節的匹配信息后，來做判斷，該執行什么樣的動作。

4　交互模塊整體軟硬件調試結果

由于智能家居機器人系統較為龐大，且各個模塊都是一個獨立的系統，它們之間通過總線方式進行通訊，這樣要完成的硬件和軟件設計環節就比較多，如底層控制板、語音識別模塊以及嵌入式控制板需要硬件設計和下載程序，在對某一個模塊實施調試時，可以斷開其他模塊，從而避免操作不當損壞了其他的模塊［4，5］。

本文以測試系統的傳感器為例。本系統通過無線藍牙鍵盤模塊，輸入數字區鍵1～9，來進行功能的測試，標配的控制器中無線鍵盤鼠標是一體的，由USB接口的接收器接收［6］。軟件調試界面如圖9所示。

圖9　嵌入式控制板中傳感器測試界面

底層控制板程序流程圖如圖10所示 。

圖10　底層控制板程序流程圖

通過了多個模塊的集體測試，對于傳感器的測試數據，是最基本的操作，如果還要搭建復雜的功能，那么對應傳感器的思路算法要更優越，不然還會出現互相干擾，或者一個傳感器不穩定影響整個系統。特別注意，在編寫程序和調試的時，要保證接線的正確性和不松動。因此可以先單個傳感器進行測試，然后逐步聯合起來，從而更加容易發現問題來自哪個環節［7，8］。

嵌入式控制板程序流程圖如圖11所示。

圖11　嵌入式控制板程序流程圖

5　應用效果

機器人仿真教學培訓系統建成以來，已經多次應用于我校的本科教學以及對外校的教學服務，還承擔了繼續教育學院的部分培訓工作。根據每次使用中所發現的問題進行了相應的改進，并且開發了新的功能。在實驗課上，學生們一致認為該系統真實、直觀地反映了現場生產作業的實質內容。

以此仿真教學平臺為依托，學院歷屆參加的機器人類競賽項目獲得省二等獎以上110余項，取得了優異成績，逐漸形成了以機器人競賽為代表的品牌競賽項目。2007-2010年，中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽、中國水中機器人大賽、全國職業院校技能競賽機器人技術、黃炎培職業教育獎創業大賽等項目，一、二等獎54人次。2011年4月，湖南省職業院校技能競賽機器人技術應用項目，獲省一、二名，獲獎學生6人次。2011年6月，全國職業院校技能競賽機器人技術應用項目，獲全國一等獎第一名和三等獎，獲獎學生6人次。2012年4月，湖南省職業院校技能競賽機器人技術應用項目，獲省一、二名，獲獎學生6人次。2012年6月，全國職業院校技能競賽機器人技術應用項目，獲全國二等獎2項，獲獎學生6人次。2012年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎1項，一等獎2項，獲獎學生9人次。2013年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎2項，一等獎2項，獲獎學生12人次。2014 年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎3項，二等獎1項，獲獎學生12人次。

此外學院還承辦中國教育機器人教練員培訓（中高職）和國家級教師下企業培訓（高職）。2013年8月10～21日，承辦中國教育機器人競賽湖南地區第一屆教練員培訓；2013年11月10～20日，承辦中國教育機器人競賽湖南地區第二屆教練員培訓。2014年7月14日至8月30日，承辦國家教育部職業院校骨干教師國家級培訓項目——高職電子信息工程技術專業教師下企業培訓項目（工業機器人技術應用），合作企業：長沙長泰機器人公司、湖南科瑞特科技股份有限公司［9，10］。

6　結束語

家居機器人仿真教學系統受到了教師和學生的普遍歡迎，近年來這套仿真教學系統已成功向多家高校轉讓。隨著科學技術的進步，仿真教學的手段也將不斷地發展，它的應用領域將愈加廣泛，它的安全、高效的優勢將在機器人行業中發揮重大的作用。

參考文獻

［1］ 田國會.家庭服務機器人智能空間技術研究與進展［J］.山東大學學報:工學版，2007，37（5）:53-58.

［2］ 周盛榮.智能家庭清掃機器人的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［3］ 田琦，張國良.全方位移動機器人模糊PID運動控制研究［J］.現代電子技術，2009，5（292）:131-133.

［4］ 韓珩.基于AT89C51的智能清潔機器人設計［J］.甘肅科技兵工自動化，2008，24（5）: 15-16.

［5］ Choi S K， Yuh J. A virtual collaborative world simulator for underwater robots using multi-dimensional， synthetic environment［C］. Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation. Seoul， 2001: 926-931.

［6］ Komerska R J， Chappell S G. A simulation environment for testing and evaluating multiple cooperating solar-powered AUVs［C］// Proceedings of the MTS/IEEE Oceans 2006 Conference. Boston， 2006: 1-6.

［7］ 邵金燕.多機器人協作控制研究［D］.北京:北京大學工學院，2007.

［8］ 宋偉剛.機器人學：運動學、動力學與控制［M］.科學出版社.

［9］ 陳鵬慧.微軟仿真組輪式微型機器人仿真比賽平臺探討［J］.機器人技術與應用，2010（8）:28，31.

［10］ 徐紅麗，許真珍， 封錫盛.基于局域網的多水下機器人仿真系統設計與實現［J］.機器人，2005，27（5）:423-425，440.

Design and Implementation of the Simulation Teaching System of Smart Home Robot

Xiong Ying， Huang Yahui， Shi Yingchun
Departiment of Engineering ， Hunan College of Information， Changsha， 410200， China

Abstract:After full investigation and according to the characteristics of most of the smart home robots ， a typical home robot model was designed and then a simulation training system was developed in teaching， which was close to the real working condition and provided students with a practice platform.

Key words:smart home robot； simulation； training system

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：熊英，碩士，助教。黃亞輝，本科，助教。

基金項目：2014年度湖南省高等學?？茖W研究項目“語音交互式智能家居清潔機器人仿真平臺的研究”（編號：14C0827）。