藍(lán)麗金　潘運(yùn)丹　李君弋

摘要：本研究旨在為廣大游客提供更加便捷、高效的智能導(dǎo)游服務(wù)，以STM32作為核心控制器，研究一套類人型的智能小型輪式機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為八個模塊：主控模塊、投幣模塊、語音模塊、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動模塊、循跡模塊、避障模塊以及輔助模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人根據(jù)游客要求提供最優(yōu)參觀景區(qū)線路，并進(jìn)行全程智能解說服務(wù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 導(dǎo)游 STM32

中圖分類號：TP2442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0145-02

1 引言

智能機(jī)器人已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天、甚至軍事上等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，很大程度上提高了生產(chǎn)效率，并代替人類完成高效、高精度、高危險的作業(yè)過程，解放了很大一部分的勞動力，智能機(jī)器人已為社會創(chuàng)造很大的價值。而服務(wù)機(jī)器人是當(dāng)今智能控制領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)[1]，智能移動機(jī)器人可以說是智能導(dǎo)游機(jī)器人的前身，其最早在60年代末期就開始了研究[2]，作為各種類型機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)平臺，它能通過各種傳感器、定位系統(tǒng)等來進(jìn)行識別，從而去感覺周圍的情況，了解自身所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的環(huán)境中去躲避障礙物自主向指定的目標(biāo)運(yùn)動，繼而實(shí)現(xiàn)一定功能、完成一連串任務(wù)的系統(tǒng)。智能導(dǎo)游機(jī)器人融合智能機(jī)器人技術(shù)和導(dǎo)游服務(wù)，它將提高導(dǎo)游行業(yè)的工作效率，大大減輕導(dǎo)游工作負(fù)擔(dān)，一定程度上代替人工導(dǎo)游工作，提高旅游行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)總架構(gòu)

本設(shè)計(jì)研究的智能導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)可以分為九個模塊：主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、光電循跡模塊、紅外避障模塊、語音模塊、模擬投幣模塊、按鍵模塊、LCD模塊、電源穩(wěn)壓模塊。其中投幣模塊、按鍵模塊、LCD模塊和E18-D50NK光電傳感器可合并為輔助模塊。

智能導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)中，各個模塊相輔相成，缺一不可。電源穩(wěn)壓模塊為主控模塊及其他模塊提供穩(wěn)定的電源，主控模塊通過循跡模塊采集路面線路信息，通過紅外壁障模塊采集障礙物等信息，然后再傳遞信號給電機(jī)驅(qū)動模塊對電機(jī)進(jìn)行操作，如此來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)游機(jī)器人準(zhǔn)確的行走和自動壁障等功能；語音模塊通過主控模塊可以實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互功能，解說景點(diǎn)的人文地理；投幣模塊在本設(shè)計(jì)是一個光電傳感器模擬而成，以揮手來代表投幣，游客投幣結(jié)束后通過按鍵模塊確認(rèn)，然后將信號傳給主控模塊進(jìn)行處理；LCD模塊將主控模塊處理的部分信息顯示給游客觀看。智能導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)總架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用STM32f103ZET6微處理器作為核心控制器，根據(jù)需要使用該主控的接口引出來與外圍設(shè)備進(jìn)行連接。作為核心的主控模塊，它是智能導(dǎo)游機(jī)器人的大腦，其主要功能是將各模塊反饋的信息進(jìn)行處理和控制，如避障模塊檢測到障礙、循跡模塊檢測到岔路口或者景點(diǎn)后，反饋給主控，主控根據(jù)程序命令調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動模塊和語音模塊，使得機(jī)器人可以進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、調(diào)速及解說等功能。

3.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

該模塊是兩個部分組成的，一個是驅(qū)動模塊，另一個是電機(jī)；其主要功能是為智能導(dǎo)游機(jī)器人通過驅(qū)動模塊對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，從而控制機(jī)器人的運(yùn)行以及對特殊路面情況的相應(yīng)動作[3]。

（1）本設(shè)計(jì)電機(jī)采用4個28JX5K19G直流減速電機(jī)。直流減速電功率可達(dá)95KW以上，能耗低，節(jié)省空間，有較大的力矩。主控制模塊采用PWM調(diào)速法通過驅(qū)動模塊控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變一系列頻率輸出固定方波的占空比，從而改變加在電機(jī)的平均電壓，通過功率放大器驅(qū)動電機(jī)，可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。

（2）本設(shè)計(jì)驅(qū)動模塊采用的是Abilix驅(qū)動器，該模塊是主控系統(tǒng)和電機(jī)的連接紐帶，主控通過驅(qū)動模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及改變與驅(qū)動模塊連接的通道口電平的高低來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如圖2所示為電機(jī)驅(qū)動實(shí)物圖。表1所示為驅(qū)動模塊的極限參數(shù)。

3.2 循跡與避障模塊

（1）設(shè)計(jì)中光電循跡模塊主要由16個光電二極管、8個光敏三極管、 2個LM339M芯片、16個LED燈組合而成[4]。其功能是對白線進(jìn)行識別，使探險游機(jī)器人可以按規(guī)劃好的路線前進(jìn)到達(dá)方案所設(shè)計(jì)的目的地，并能分辨交叉路口以便按程序選擇路徑進(jìn)行調(diào)整。

該模塊主要采用的兩個元件是3DU5C硅光敏三極管、LM339電壓比較器。

（2）避障模塊采用E18-D80NK光電傳感器，它是一種漫反射式光電傳感器，集發(fā)射與接收于一體[5]，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對障礙物的識別。

本次設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的避障功能有：對路障的識別、對陡坡的識別以及在特定情況下幫助循跡模塊識別路徑和確定車身位置，按其實(shí)現(xiàn)不同功能的需要，安置不同位置的傳感器。

4 軟件分析及硬件測試結(jié)果

4.1 主程序流程圖

主程序主要作用是對外部設(shè)備進(jìn)行初始化，并等待游客投幣后，開始判斷投幣數(shù)量，確認(rèn)完畢后選擇所去景點(diǎn)的路線，然后啟動語音模塊，帶游客去景點(diǎn)，到達(dá)景點(diǎn)解說完畢后自動回到起始點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖3所示。

4.2 循跡模塊序流程圖

為了實(shí)現(xiàn)其識別線路的功能，2個循跡模塊分布于智能導(dǎo)游機(jī)器人底盤下方，為了循跡模塊編程所需，特將循跡模塊的光電傳感器定義為0至15的編號。如圖4所示為循跡傳感器分布圖。為了循跡模塊編程程序流程所需，設(shè)0至2的光敏傳感器響應(yīng)向前右，5至7的光敏傳感器響應(yīng)向前左，8至10的光敏傳感器響應(yīng)向前左，13至15的光敏傳感器響應(yīng)向后右，對于白色直線的循跡程序流程圖如圖5所示。

4.3 硬件測試結(jié)果及分析

該設(shè)計(jì)硬件主要實(shí)現(xiàn)了五個模塊功能，即主控模塊、穩(wěn)壓模塊、循跡模塊、語音模塊與機(jī)器人移動的驅(qū)動。測試時主控模塊先在未通電時檢查芯片及其他外設(shè)焊接是否短路。通電后開始檢測是否可以下載程序，當(dāng)程序可以成功下載則主控模塊就已經(jīng)檢測完畢。硬件檢測表如表2所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)研究的是類人型的模擬智能導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)，其采用STM32為主控芯片，通過模擬投幣模塊、語音模塊、循跡模塊、避障模塊等八個模塊完成了對機(jī)器人的智能控制，實(shí)現(xiàn)游客投幣確認(rèn)后自動帶領(lǐng)其參觀景區(qū)，游客通過語音模塊實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的交流對話，并為游客進(jìn)行解說服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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