花良浩，楊潤(rùn)賢

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

基于雙控制技術(shù)的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

花良浩，楊潤(rùn)賢

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

本文主要介紹以MultiFLEX2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機(jī)為核心的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬一種設(shè)計(jì)，并利用NorthSTAR程序編寫(xiě)器及Kill-Uv4進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，構(gòu)建輪式移動(dòng)仿生型機(jī)器導(dǎo)盲犬。機(jī)器導(dǎo)盲犬以“u_blox-neo_6m”GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能，采用五路超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)障礙物，利用視頻傳感器辨別道路等狀況，以雙系統(tǒng)控制平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自主避障、定位導(dǎo)航、語(yǔ)音控制/提示等功能，以及控制的自動(dòng)化，為智能導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)提供了一種思路，具有非常廣泛的實(shí)用價(jià)值。

機(jī)器導(dǎo)盲犬；雙控制器；避障；GPS導(dǎo)航；語(yǔ)音控制

導(dǎo)盲犬是一種工作犬，其主要工作是代替視障人士的雙眼，為他們領(lǐng)路。但事實(shí)上，各類犬種的導(dǎo)盲犬需花費(fèi)很大一部分的人力、時(shí)間去培養(yǎng)，成本很高，市場(chǎng)銷售價(jià)格也極其昂貴。就我國(guó)目前的市場(chǎng)調(diào)研情況來(lái)看，記錄在冊(cè)的導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量極少，并且具備引領(lǐng)盲人出行功能的此類導(dǎo)盲犬更是鳳毛麟角，導(dǎo)盲犬的訓(xùn)練成本極高，訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)久，人與犬直接的融洽交流也需要時(shí)間培養(yǎng)，因此，基于雙控制技術(shù)的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬的研發(fā)引起了人們的關(guān)注。雙控制技術(shù)充分彌補(bǔ)了單一控制技術(shù)的局限性，為智能導(dǎo)盲犬提供了嶄新的思路。

在智能機(jī)器導(dǎo)盲犬應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外的技術(shù)相對(duì)成熟，如日本精工株式會(huì)社（NSK）和電氣通信大學(xué)研制出的一款機(jī)器導(dǎo)盲犬，該機(jī)器導(dǎo)盲犬原型已經(jīng)進(jìn)入第三階段，該導(dǎo)盲犬采用微軟的XBOX體感外設(shè)Kinect機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)機(jī)器掌握周圍地形環(huán)境之后便指導(dǎo)盲人行走，幫助盲人更有效地避免各種障礙，更好地完成爬樓梯等工作。但是定位導(dǎo)航是此機(jī)器導(dǎo)盲犬的一大遺憾，這給盲人的安全出行帶來(lái)極大的不便。而且昂貴的價(jià)格也讓人們望而卻步。哈爾濱理工大學(xué)研發(fā)的機(jī)械導(dǎo)盲犬，具有循跡、繞障功能，語(yǔ)音播報(bào)功能，GPS導(dǎo)航功能和太陽(yáng)能電板，目前此款機(jī)器還仍處于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，并且此款機(jī)器導(dǎo)盲犬?dāng)y帶不便，而且無(wú)人機(jī)對(duì)話功能，這樣人與機(jī)器之間就無(wú)法溝通。河南理工大學(xué)研發(fā)的智能導(dǎo)盲車具有GPS自主導(dǎo)盲、人動(dòng)力牽引、語(yǔ)音播報(bào)、GSM獲取盲人位置信息、傾角傳感器傾翻報(bào)警。由于導(dǎo)盲車的笨重繁瑣、人力牽引，給盲人帶來(lái)許多出行的不便，而且GSM獲取盲人位置信息只可以在小區(qū)、公園等小范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行正?；顒?dòng)，盲人在途中要改變航線，只能通過(guò)重啟方式改變目的地，操作過(guò)于麻煩。目前還沒(méi)有能夠?qū)嶋H應(yīng)用在各種路況環(huán)境下的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬，應(yīng)用與實(shí)際日常生活中的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬功能不全，安全系數(shù)不高。

本 文 以 MultiFLEXTM2-PXA270控 制 器 和STC89C52RC單片機(jī)控制協(xié)同控制，充分結(jié)合各個(gè)控制器的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)各類傳感器組合檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境，并通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流控制。彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)導(dǎo)盲產(chǎn)品的空缺，為盲人出行帶來(lái)方便，且集齊優(yōu)點(diǎn)于一體，產(chǎn)品價(jià)格低廉，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

一、智能機(jī)器導(dǎo)盲犬總體設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）語(yǔ)音定點(diǎn)定位導(dǎo)航功能

此功能由51單片機(jī)以及MultiFLEXTM2-PXA270控制器配合控制實(shí)現(xiàn)，由MultiFLEXTM2-PXA270控制器接收到準(zhǔn)確語(yǔ)音指令后確定與指令相關(guān)的目標(biāo)地點(diǎn)，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與GPS定位器的實(shí)時(shí)通信，根據(jù)GPS提供的實(shí)時(shí)地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的導(dǎo)航功能，然后按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。

（2）智能避障及道路邊線循跡功能

在自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中，機(jī)器犬遇到障礙物可自動(dòng)選擇繞行，并根據(jù)繞行距離計(jì)算出航向的偏離程度，GPS重新進(jìn)行定位，依據(jù)原有導(dǎo)航路線數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)部分，重新回到原有路徑。

在道路邊線循跡過(guò)程中，將利用循跡模塊以及視覺(jué)傳感器雙重判斷道路邊線，并根據(jù)檢測(cè)信息使機(jī)器人始終保持在道路邊線行駛。

（3）目標(biāo)識(shí)別功能

機(jī)器犬到達(dá)導(dǎo)航地點(diǎn)后，利用視覺(jué)傳感器將全方位檢測(cè)下的圖像轉(zhuǎn)換到HIS空間，根據(jù)H色調(diào)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在MultiFLEXTM2-PXA270控制器中的目標(biāo)的H色調(diào)標(biāo)識(shí)相比較，當(dāng)目標(biāo)信息基本符合后，機(jī)器人向目標(biāo)先進(jìn)，自此機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

（4）語(yǔ)音聊天及娛樂(lè)功能

機(jī)器導(dǎo)盲犬在程序編寫(xiě)過(guò)程中，利用 Multi-FLEXTM2-PXA270控制器以及機(jī)器犬身體各部分硬件，可以實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器導(dǎo)盲犬的簡(jiǎn)單的語(yǔ)音聊天功能、音樂(lè)播放以及玩耍跳舞等娛樂(lè)功能。

此外，整套系統(tǒng)在硬件和軟件方面都具有良好的可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)的功能升級(jí)和外接其他傳感器的功能拓展。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)對(duì)智能機(jī)器功能要求越來(lái)越高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度大，精確度不高，可擴(kuò)展性不強(qiáng)，結(jié)合系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，本文基于MultiFLEXTM2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能機(jī)器導(dǎo)盲犬來(lái)解決上述問(wèn)題。

圖1　智能機(jī)器導(dǎo)盲犬總體結(jié)構(gòu)框圖

上圖為本文設(shè)計(jì)的機(jī)器導(dǎo)盲犬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，整個(gè)設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)部分組成：

（1）MultiFLEXTM2-PXA270控制器航向計(jì)算、移動(dòng)平臺(tái)速度及航向角計(jì)算：主要完成機(jī)器人實(shí)時(shí)定位及導(dǎo)航算法。

（2）避障控制、航向歸位算法：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各類環(huán)境下的避障功能，以及機(jī)器人回歸原始航向功能。

（3）語(yǔ)音判斷及對(duì)話功能：接受盲人的語(yǔ)音指令，判斷指令正確與否，實(shí)現(xiàn)與盲人的溝通和娛樂(lè)功能。

（4）視覺(jué)偵別判斷：準(zhǔn)確判斷目標(biāo)，在反復(fù)檢測(cè)后，幫助盲人到達(dá)最終目的地。

整個(gè)系統(tǒng)利用各傳感模塊和對(duì)應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器導(dǎo)盲犬的最終導(dǎo)盲功能。盲人將通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)指令控制機(jī)器人，GPS定位、避障、視覺(jué)檢測(cè)模塊幫助機(jī)器人正確規(guī)劃路徑，以及安全行駛能力。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)，語(yǔ)音提示盲人，檢測(cè)機(jī)器人行駛路線，并在目標(biāo)出現(xiàn)后正確判斷目標(biāo)的功能。

二、系統(tǒng)的硬件組成

機(jī)器導(dǎo)盲犬硬件部分如圖2所示。圖2中，Multi-FLEXTM2-PXA270控制器、STC89C52RC單片機(jī)為機(jī)器導(dǎo)盲犬的控制部分，五路超聲波測(cè)距模塊由STC89C52RC型單片機(jī)控制，分左、左前、中、右前、右五組方位探測(cè)障礙物信息。GPS定位模塊由u_blox-neo_6m接收機(jī)天線一體式定位模塊為單片機(jī)提供位置信息。電子羅盤模塊由HMC5883為系統(tǒng)提供航向信息。視覺(jué)檢測(cè)模塊為Mul-tiFLEXTM2-PXA270控制器提供實(shí)際環(huán)境道路各類路口的信息。巡線模塊利用灰度傳感器檢測(cè)道路邊線，幫助盲人靠邊行走。語(yǔ)音模塊為盲人提供各類語(yǔ)音及報(bào)警提示，并實(shí)現(xiàn)盲人的口令動(dòng)作。傾覆模塊檢測(cè)不平穩(wěn)或傾斜路段，為系統(tǒng)提供運(yùn)行報(bào)警，并通過(guò)語(yǔ)音模塊提示盲人。

圖2　機(jī)器導(dǎo)盲犬硬件設(shè)計(jì)

三、系統(tǒng)的軟件組成

智能機(jī)器導(dǎo)盲犬主要分為兩部分組成，Multi-FLEXTM2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機(jī)。

1.基于MultiFLEXTM2-PXA270采用NORTHSTAR圖形化編程，在windows下有良好的操作界面，智能機(jī)器導(dǎo)盲犬總體流程圖如圖3所示。

圖3　智能機(jī)器導(dǎo)盲犬流程圖

2.整個(gè)導(dǎo)航定位模塊由STC89C52RC單片機(jī)控制，采用u_blox-neo_6m的GPS定位模塊，利用RS232通信為控制器提供當(dāng)前位置數(shù)據(jù)。其導(dǎo)航功能具體如圖4所示。

圖4　導(dǎo)航功能控制圖

GPS模塊上電工作時(shí)，通過(guò)GPS接收天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的定位信號(hào)，經(jīng)過(guò)CPU主控器處理，計(jì)算出車輛的日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、速度和行駛方向等定位數(shù)據(jù)，并將計(jì)算出的GPS數(shù)據(jù)以RS232通信接口傳送給MultiFLEXTM2-PXA270控制器，利用控制器內(nèi)部導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航功能。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人導(dǎo)盲犬在分析導(dǎo)航、避障、目標(biāo)識(shí)別模塊的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)導(dǎo)航、避障原理及視覺(jué)追蹤的原理及算法，綜合了三大類傳感模塊實(shí)現(xiàn)了雙控制器機(jī)器人在無(wú)人引導(dǎo)環(huán)境下的導(dǎo)盲功能。本系統(tǒng)的實(shí)際導(dǎo)盲功能還有很高的提升空間，如實(shí)現(xiàn)記憶導(dǎo)航，更高精度避障及環(huán)境識(shí)別功能，提高對(duì)各類道路目標(biāo)的識(shí)別度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在短距離、最準(zhǔn)確定位的導(dǎo)盲功能?？偟膩?lái)說(shuō)，該機(jī)器導(dǎo)盲犬系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單環(huán)境下對(duì)盲人引導(dǎo)的實(shí)用性功能，獲得全國(guó)職業(yè)院校技能大賽創(chuàng)新成果交流賽一等獎(jiǎng)。

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A

1673-0046（2015）11-0194-03

中央財(cái)政支持的職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)項(xiàng)目（蘇教財(cái)［2012］117號(hào)），江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（201513754004Y，201513754005Y），揚(yáng)州市工程技術(shù)研究中心。］