基于NI myRIO的家庭陪伴機器人設計

陳智拓，張 軍，高 輝，紀 峰，王 標，李紅莉

（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

0 引言

目前中國社會人口老齡化趨勢日漸嚴重，而且空巢老人數量不斷增加，“智慧養老”已成為社會普遍關注的熱點問題［1-4］。這一概念的普遍認知基本圍繞在“面對以居家型、社區型和機構型”為養老模式的老年人，利用物聯網、互聯網、智能設備等先進技術與設備，為其提供實時、快捷、高效、低成本的養老。其中機器人陪伴服務是一種有效的形式。

在家用服務機器人方面，眾多發達國家處于領先地位，如老年陪護機器人“帕羅”、Roomba 系列吸塵器機器人等。國內服務類機器人中具有代表性的是科沃斯掃地機器人。但總體來看，市場上專一功能的機器人產品較多且價格較昂貴，尚缺乏物美價廉的“陪伴”和“關愛”型機器人產品。本文提出一種實用的家庭陪伴機器人設計方案。

1 系統方案

基于NI myRIO具有豐富的板載硬件I/O、無縫的軟件開發體驗以及完善的配套資源，有助于快速開發完整的嵌入式工程項目，非常適用于控制、機器人、機電一體化及嵌入式設計的教學和創新實踐活動［5-6］。相較于一般單片機，NI myRIO具有更強的大量數據信息（音頻視頻信息）處理能力，可靠性高，聯網方便。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

項目選擇NI myRIO作為家庭機器人的核心控制器，利用人體紅外傳感模塊和攝像監控模塊尋找主人；利用超聲波測距模塊實現人機距離檢測，且與電動機驅動模塊配合實現自動避障、跟隨；利用語音模塊和存儲卡作用實現語音交互功能；電源模塊用于為各模塊供電。發揮NI myRIO支持WiFi 通信的優勢，通過移動終端實現對機器人運行狀態的遠程監控。

2 硬件設計

圖2 硬件選型

機器人設計從小巧便攜、經濟實用的角度出發進行硬件選型。硬件選型如圖2 所示。硬件選用人體紅外感應模塊HC-SR501 RD-624與藍色妖姬USB攝像頭配合尋找主人，采用超聲波舵機云臺模塊（超聲波模塊HC-SR04 +舵機SG90）和電動機驅動模塊L298N實現測距和避障，選用語音識別模塊LD3320 識別主人的語音信息。借助iPad作為移動終端進行遠程通信。NI myRIO 與各模塊間的硬件接線關系如表1 所示。

表1 NI myRIO與各模塊間的硬件接線

3 軟件設計

根據設計目標進行軟件設計，編制的系統程序流程如圖3 所示。

機器人開機后首先初始化自檢，自檢正常則進入工作狀態，定時判斷人、機距離，實現自動避障、跟隨，和主人保持友好距離，根據系統設置進行日常生活提醒，與主人進行基本的語音交互，當發現異常情況時，能主動通信報警，方便家人遠程提供救助。

軟件設計采用模塊化思想［7］，通過自動跟隨、語音交互、數據通信3 大模塊搭建系統程序。

3.1 自動跟隨

家庭機器人最主要的特色就體現在“陪伴”上，機器人首先必須能夠自動跟隨主人并保持友好的距離［8］。設計中需要實現機器人對主人位置的鎖定，判斷距離，距離過遠時主動跟隨，且在跟隨過程中能夠實現自動避障。

圖3 系統程序流程圖

3.1.1 視頻+紅外模式鎖定主人

對于機器人的攝像頭所拍攝到的前方圖像，設計利用NI Vision Assistant生成識別訓練程序，結合HCSR501 人體紅外感應模塊來判別主人是否在視線內。

實現過程為：利用NI-Vison-Assistant 軟件對視頻圖像進行預分析和處理，并導出預處理程序以進行2次編寫。在視覺助手中，對采集到的一張背影圖，利用Color Plane Extraction 函數選擇HSL-Luminance Plane功能；再利用Pattern Matching函數將識別訓練模板框設為雙腿，并設置好相應參數；選擇工具欄生成識別訓練程序并導入myRIO 中。識別訓練模板圖片需要事先借助電腦映射網絡驅動器存入myRIO 中，訪問myRIO 中的圖片保存路徑，雙擊Vision Acquisition Express VI選擇相機，完成模板匹配。Assistant 處理效果如圖4 所示。

結合人體紅外感應模塊的輸入狀態，可綜合判斷前方是否有人，鎖定主人判別程序如圖5 所示。

圖4 Assistant處理效果圖

圖5 鎖定主人判別程序

3.1.2 超聲波檢測

機器人“看到”主人后，需要進一步判斷與主人的距離，采用超聲波傳感器實現距離檢測［9］，程序如圖6所示。

圖6 超聲波檢測

圖6（a）所示while 循環用于定時發出40 kHz 的超聲波并檢測回波信號，圖6（b）所示while 循環用于檢測超聲波脈沖寬度。超聲波模塊檢測到回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。程序利用計數器、選擇函數和移位寄存器配合可測出脈沖寬度［10］。

超聲波測得的距離可由s=340t/2（m）求得，其中s為測得距離（m）；t 為傳播時間（s）。由于實測中傳播時間單位為μs，且考慮超聲波傳感器測距范圍為4.5 m，選取人機距離單位用cm 表示。故通過單位換算后利用公式實現y=0.034x/2（cm），求得實際人機距離，其中y對應實際距離，x對應傳播時間（μs）。

3.1.3 電動機驅動

當機器人定時檢測發現人機距離大于50 cm 時，將驅動小車主動追隨，當人機距離人小于30 cm 友好距離時，控制小車停住。但如果機器人視線內沒有找到主人，且距離障礙物大于30 cm時，機器人將驅動小車前行，邊走邊繼續尋找主人，在行進路程中結合舵機搖頭功能達到避障的效果。

小車驅動程序如圖7 所示，利用驅動輸出控制express VI配合條件結構實現。

圖7 小車驅動程序

舵機搖頭控制需要一個20 ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms范圍內的角度控制脈沖部分。以180°伺服為例，對應的控制關系見表2。

表2 時基脈沖與角度控制關系

舵機搖頭控制程序如圖8 所示，實現功能為：當小車遇到距離小于20 cm 的障礙物時，舵機搖頭測量5個方位距離障礙物的距離，構成一數組，然后根據數組索引最大值驅動小車向相應的方向轉向。控制小車前進姿態，有效避開障礙物。

圖8 舵機搖頭控制

3.2 語音交互

家庭機器人的貼心“陪伴”還主要體現在人機語音交互方面。為了實現這一功能，需要創建語音庫，通過對主人的語音識別［11-12］等，根據需求從語音庫調取播放相應語音。

3.2.1 創建語音庫

為了方便myRIO 調用音頻文件，需要利用Webbased Distributed Authoring and Versioning（WebDAV）通信協議將音頻文件傳輸到myRIO中，在myRIO中創建語音庫。

借助電腦在myRIO 映射內部文件下創建保存語音庫的基路徑，步驟為：

步驟1將電腦與myRIO連接，找到myRIO在電腦中的映射網絡驅動器（Z：）；

步驟2在映射網絡驅動器中輸入myRIO設備IP（172.22.11.2）；

步驟3利用WebDAV 可以看到myRIO 的內部文件（http//172.22.11.2/files）；

步驟4在myRIO 映射內部文件下創建/C 基路徑，以方便存放音頻文件。

生成myRIO調用所需的音頻數據文件并保存到語音庫中。myRIO不具備解碼MP3 文件的功能，在錄取音頻的時候需要將聲音信息存儲成數據文件（.dat）。利用LabVIEW 中的聲音采集express vi 和路徑創建函數將所錄制聲音頻數據存入電腦files（172.22.11.2DavWWWRoot）（Z：）/C 基路徑下，以方便myRIO映射調用，如圖9 所示。在聲音采集時，根據測試將采樣率選取為30～40 kS/s，以減小聲音在myRIO audioout端口輸出時的失真。

圖9 保存音頻數據文件

3.2.2 聲音文件的播放

基于myRIO無法直接播放所需調用的音頻數據，要實現聲音播放，必須對讀取到的音頻數據進行拆解再輸出。設計利用WDT 索引將波形數據拆分為兩組數據（雙通道采集的聲音），提取出振幅成分，借助myRIO工具包自帶的模擬信號輸出express VI 及for循環的自動索引功能向myRIO 的audioout 模擬輸出端口提供左右聲道數據，如圖10 所示。

圖10 聲音文件的播放

3.2.3 語音交互

語音交互在硬件上體現為實現LD3320 與myRIO的串口通信［13］，即當LD3320 識別到相應語音后，通過串口告知myRIO 識別結果，由myRIO 根據交互需求（如需要說“你好”），選擇播放語音庫中對應的音頻文件。在軟件上需要實現串口通信和語音播放的融合。

設計利用VISA 函數配置好波特率等通信參數，根據約定的通信協議，通過myRIO的UART端口實現串口通信。通過判斷串口緩沖區是否接受到數據，如果接收到數據通過條件結構，再讀取串口數據至讀取緩沖區。串口通信和語音播放功能通過讀取緩沖區的屬性節點和條件結構聯系起來［14-15］。需播放的音頻文件路徑通過字符串組合函數獲得，為了避免重復播放，在語音播放完成后需將讀取緩沖區清除。實現程序如圖11 所示。

圖11 語音交互

3.3 數據通信

為方便家人遠程監控家中情況，以及實現機器人發現主人出現異常情況時主動通信求助，需要設計實現機器人控制核心myRIO 與PC 端的通信，以及myRIO與移動終端的通信。

3.3.1 myRIO與PC端的通信

根據設計需要，采用WiFi 連接實現機器人與PC上位機的無線通信。在NI MAX 中可對myRIO 進行通信配置，具體過程為：打開myRIO的網絡適配器，默認連接選項為以太網適配器usb0 連接，將無線適配器WLAN的連接模式切換成連接至無線網絡，找到PC機所在的路由器網絡，輸入WiFi 密碼，即可實現myRIO與PC端的WiFi連接和數據傳輸，見圖12。

圖12 myRIO與PC實現WiFi連接

3.3.2 myRIO與移動終端的通信

為方便用戶在遠程終端上監控機器人的各項指標，需要建立myRIO和智能終端之間的通信。一般有基于LabVIEW的網絡共享變量或是Web service 等實現方式。設計中選用了網絡共享變量方式，因其簡單易行，且可直接應用遠程控制軟件NI DATA DASHBOARD，有利于保障通信過程穩定可靠［16］。

完成myRIO與智能終端iPad 的通信綁定。進行myRIO上的通信部署，將需要監控的變量在LabVIEW程序中設置為網絡共享變量，針對iPad 進行通信部署，即綁定對應的網絡共享變量。

針對iPad 進行通信部署：在iPad 下載安裝Data Dashboard for LabVIEW；連接iPad和myRIO，確保連接時iPad、myRIO 和PC 上位機處于同一路由器下；在DATA DASHBOARD中放置所需相關控件，點擊控件下方的Connect ＞＞Shared Variables，在New Server中輸入myRIO的IP 地址；點擊Connect 連接，在可供綁定的共享變量庫中選擇需要響應的網絡共享變量，即完成綁定。網絡共享變量綁定示例如圖13 所示。

圖13 綁定共享變量示例

3.3.3 操作界面

為方便用戶通過iPad直觀監控機器人運行狀態，增加應用程序的可移植性，在完成了myRIO上系統程序編制的基礎上，利用NI Data Dashboard 軟件實現iPad對陪伴機器人的無線控制以及二者間的無線數據傳輸，在iPad 上設計了簡潔友好的人機界面，如圖14 所示。

圖14 iPad端人機界面設計

用戶通過iPad可以直觀地看到系統運行狀態，包括機器人自動跟隨狀態（檢測距離、電動機轉速等），當前語音交互情況（時間及語音信息），WiFi連接狀態指示等等。

4 系統仿真測試

受疫情影響不能現場實驗，項目組進行了系統仿真測試，包括自動跟隨測試、語音測試和通信測試。

自動跟隨測試結果如圖15 所示，機器人檢測到前方有人，但由于人機距離尚在友好范圍內，故仍處于靜候狀態。

圖15 自動跟隨測試效果

語音交互實現主要在于語音識別并調取播放對應語音數據文件，圖16 展示了機器人正常開關機時播放的語音效果。

圖16 正常開關機時語音播放效果

當機器人處于工作狀態時，在iPad上利用基于NI Data Dashboard 設計的人機界面，可實現對以myRIO為控制核心的陪伴機器人運行狀態的監控，數據通信效果如圖17 所示。

5 結語

本文提供了一種基于NI myRIO，集圖像識別、運動控制、語音交互、無線通信以及數據傳輸為一體的家庭陪伴機器人設計方案。設計利用超聲波舵機、人體紅外感應、攝像頭配合小車驅動等模塊實現機器人的自動避障、跟隨，采用LD3320模塊的語音識別功能及串口通信實現語音交互，發揮機器人的“陪伴”作用；通過數據通信設計，方便家人利用iPad 遠程監控機器人工作狀態，使陪伴機器人更具有實用價值。

圖17 iPad端人機界面數據通信效果

系統測試表明該設計方案具有可行性，具有深入研發的價值，后期將從系統集成的角度考慮產品化設計，發揮家庭陪伴機器人的實際應用價值。