智能迎賓機器人控制系統(tǒng)設計與研究

蘭州石化職業(yè)技術學院電子電氣工程學院 任 聰 洪梓榕

本文設計了一款基于STM32的智能迎賓機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STM32芯片作為主控芯片，通過語音模塊、周邊環(huán)境檢測模塊、人臉識別模塊的配合，實現(xiàn)了自主迎賓、路徑自主規(guī)劃、面部及語言識別、人機對話、智能跟隨等功能。實際測試分析結果表明，系統(tǒng)達到了預期設計的目標，具有低成本、低功耗、高性能的特點。

目前，迎賓機器人的控制系統(tǒng)存在功能單一、調試不便、后期維護困難等問題，本文針對以上問題利用模塊化編程思想，設計了一種基于物聯(lián)網技術的迎賓機器人系統(tǒng)，通過將嵌入式系統(tǒng)、傳感器應用與物聯(lián)網技術進行有機結合，為迎賓機器人的控制系統(tǒng)的設計提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)總體設計

智能迎賓系統(tǒng)利用多種傳感設備實現(xiàn)周圍游客目的地信息的獲取，利用STM32單片機將采集的信息進行分析，通過WIFI、ZigBee等模塊將信息傳輸至驅動機構，通過機器人將游客到達相應的地點。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 硬件設計

2.1 控制模塊

根據(jù)本系統(tǒng)具有實時性強、外設多、需具備網絡通信功能等特點，選擇了STM32F103ZET6芯片作為核心處理器，其工作電壓范圍為2.0-3.6伏。它集成了豐富的片內資源，包括256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲器，高達64K字節(jié)的SRAM，3個12位us級的模數(shù)轉換器，轉換范圍為0至3.6伏，多達112個快速I/O口、11個定時器、13個通信接口等，有效的簡化了外圍電路的設計以及硬件設計的成本。

2.2 語音交互模塊的設計

系統(tǒng)采用的是科大訊飛AIUI評估板，將游客提出的問題與云端指令庫進行對比，隨后將云端指令庫中的信息發(fā)送至開發(fā)板，開發(fā)板進行指令與語音的轉換，實現(xiàn)游客與機器人之間的對話。AIUI評估板如圖2所示。

圖2 AIUI評估板

2.3 周邊環(huán)境檢測模塊設計

檢測模塊由人體感應模塊、紅外測距傳感器、超聲波傳感器組成。HC-SR501人體感應模塊的信號是數(shù)字信號，信號輸出端口可以直接連接到STM32單片機。GP2D12紅外測距傳感器的信號是模擬信號，可通過STM32單片機的A/D轉換模塊處理后觸發(fā)機器人相應操作。

HC-SR501人體感應模塊，是基于紅外線技術的自動控制模塊，通過熱釋電效應探測紅外輻射，因人體溫度與環(huán)境溫度有所差別，當人體進入檢測區(qū)時，傳感器有輸出；若人體進入檢測區(qū)不動，則溫度沒有變化，傳感器沒有輸出；所以這種傳感器可以用來檢測人體活動的傳感。人體傳感模塊通過單片機的I/O口與其連接，傳感器模塊默認輸出低電平。當人體進入傳感器的感應區(qū)域時，傳感器的輸出端將會輸出高電平，否則輸出端將輸出低電平。當單片機接收到從低電平到高電平的脈沖變化時，就會觸發(fā)相應的程序，使機器人進行相應的動作。

GP2D12紅外測距傳感器，集成紅外線發(fā)射管與PSD（Position Sensing Device位置敏感檢測裝置），利用光的反射性質，采用三角測量原理，通過紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光束，當紅外光束遇到障礙物后會被反射回來，落到PSD上，因此在空間中構成了一個等腰三角形，我們通過借助PSD所獲得的相應數(shù)據(jù)可以測得三角形的底，因為等腰三角形的兩個底角是固定的，所以可通過發(fā)射管發(fā)出的光束與來PSD所接收到的光束的位置來確定此時的三角形的底邊，之后我們通過三角形的底邊以及底角的大小來推算出高，也就是我們所要的距離。由于傳感器模塊輸出信號微弱，所以需設計放大電路，通過放大電路對傳感器輸出信號進行放大，之后將信號發(fā)送至STM32單片機的A/D轉換模塊，進行模擬量與數(shù)數(shù)字量之間的轉換后得到距離，隨后觸發(fā)相應程序使得機器人與游客、障礙物保持安全距離、避免出現(xiàn)故障時誤傷到游客。三角測量原理如圖3所示。

圖3 三角測量原理

2.4 人臉識別模塊設計

OpenMV是一款體積小、功耗低、成本低、能夠輕松完成機器視覺及圖像采集處理的傳感器。并且能夠運用高級語言Python所編寫的視覺識別算法對其相應的操作，使其能夠對復雜的圖像進行處理并輸出我們所需的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)利用OpenMV，通過LBP特征提取算法，進行人臉檢測及人臉追蹤。將OpenMV提取到的人臉信息進行解析，發(fā)送至主控板，通過主控板控制相應的器件，實現(xiàn)面向游客講解景區(qū)內容。OpenMV攝像頭如圖4所示，人臉識別部分代碼如圖5所示。

圖4 OpenMV攝像頭

圖5 人臉識別部分代碼

3 系統(tǒng)軟件設計

基于程序模塊化的設計理念，本系統(tǒng)設計了主程序、各功能子程序以及HMI程序。主程序流程如圖6所示，HMI程序流程如圖7所示。

圖6 主程序流程

圖7 HMI程序流程

各功能子程序主要包括初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、WIFI無線通信子程序等。系統(tǒng)上電后，先對整個系統(tǒng)程序進行初始化，首先將單片機的I/O口的工作模式，串口的波特率等參數(shù)，以及NVIC和EXTI控制器的工作狀態(tài)進行相應的設置，隨后對系統(tǒng)所用到的各種傳感器（如：紅外測距傳感器、人體感應傳感器、超聲波傳感器等），液晶（LCD）顯示屏以及WIFI通信模塊等外部連接設備進行初始化操作，使其整個系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

本系統(tǒng)所用到的有些傳感器采集的是模擬信號，模擬信號是采用以下方式來處理的，首先是通過STM32單片機上的12位模數(shù)（A/D）轉換器進行轉換；之后將轉換完成后的數(shù)字量依據(jù)本系統(tǒng)所采用自主設定的通信協(xié)議，按照相應的數(shù)據(jù)格式完成與STM32單片機之間的信息傳遞。

信息的處理及數(shù)據(jù)的獲取是在相應的功能子程序里的函數(shù)里進行，之后在主程序里進行調用，這樣不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在一定的周期里不斷被更新還便于后期程序的調試。

4 系統(tǒng)測試與實現(xiàn)

為了驗證系統(tǒng)各部分功能是否正常，對系統(tǒng)進行了整體測試。在機器人初始化完成后，若對機器人說出“叮咚叮咚”則是喚醒機器人，之后可以對機器人進行相關問題的詢問以及相關指令的傳達，機器人則會根據(jù)所獲取的信息進行處理并進行相應操作。同時也可通過LCD顯示屏進行機器人的相應操作。

在機器人運行過程中，當感知到障礙物時且紅外測距傳感器的數(shù)值變化范圍大于程序閾值時，機器人會根據(jù)實時情況對障礙物進行規(guī)避，防止發(fā)生一些不必要的失誤。OpenMV測試程序如圖8所示，語音模塊手機端測試程序如圖9所示。

圖8 OpenMV測試程序

圖9 語音模塊手機端測試程序

本系統(tǒng)通過STM32單片機與物聯(lián)網技術、WIFI通信技術的有機結合實現(xiàn)了一種迎賓機器人的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)路線自主規(guī)劃、面部及語言識別、人機對話、智能追隨等功能。可以使機器人能夠獨立完成知識查詢、路線規(guī)劃、場景介紹、引導游覽等迎賓互動任務。本系統(tǒng)通過對于不同場景的不同情況進行功能測試分析，最終結果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了成本低、性能高、穩(wěn)定性好的迎賓機器人控制系統(tǒng)。