基于旅游尋寶應用環境下的智能機器人的研究與設計

潘運丹　藍麗金

摘要：本設計研究一種基于旅游尋寶應用環境下的智能機器人，利用紅外模塊、電機與舵機、攝像頭等模塊，主控芯片采用STM32F103ZET6芯片，將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片，主控芯片針對紅外反饋的環境信息，給電機、舵機等下發指令已完成相應動作。能夠實現在一定時間內，在一定的環境下到達盡可能多的景點，途中需順利通過各種門檻，路障等。每到一個景點完成進行一定的識別，完成尋寶任務。

關鍵詞：旅游 尋寶 機器人

中圖分類號：G624.24 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0008-02

機器人自21世紀以來，取得了突飛猛進的發展。工廠里的機械臂大大加快了生產效率，醫院里的機器人提高了手術的成功率，家庭服務機器人方便了人們的居家生活。機器人的使用給人們帶來了很多的便利，并且機器人能夠替代人們完成各項危險的工作，其安全性為科學研究的方式提供了不可磨滅的作用。2013年12月14日21時11分18.695秒，嫦娥三號成功實施軟著陸，降落相機傳回圖像。玉兔號月球車漫步在坎坷的月球面上，會遭遇未知的地形，環境等因素的干擾。本研究設計的機器人能夠通過網咖來自動選擇未知的路線，途中也將碰到未知的障礙，并且能在有限的時間內來完成旅游尋寶任務。這些都是月球車探測，南極考察等技術基礎[1]。

1 機器人總體功能及性能指標

本研究設計的機器人具有以下幾個功能：

（1）系統規劃與優化能力：在一定的時間內游覽多景點，完成計劃中的旅游活動，并回到出發地點。需要一種最優規劃以達到所要求的目標，需要有一定的系統規劃與優化能力。

（2）應變能力：面對有些可移動景點與不可知的路障擺放數量與位置，在機器人進入場地后，所走的路線避免不了那些路障，此時需要機器人對此做出一定的應變以順利完成任務。

（3）視力及定位：機器人辨別數字、文字、形狀和色彩的能力，引導機器人視力及定位能力的提高。

（4）爬坡能力和跨越門檻能力：由于應用環境的需要，使得機器人具有一定的爬坡能力和跨越障礙的能力。

（5）對抗能力：具有一定的對抗能力，已完成任務。

（6）快速性與穩定性：機器人在整個過程中，要在快速性與穩定性中間求得平衡。

2 機器人的結構與外觀

該機器人的外形具有穩定性、堅固性以及時速性。系統結構上半部分為人型結構，下半部分為四輪的車型結構。車底安裝電機、主控芯片，紅外等一系列必需的配件。主控板位于底板中央，電池嵌在底板下方。八個避障紅外的安放位置分別為：前左，前右，前下左，前下右，中左，中右，中斜，后右。兩條循跡板位于前后底板下，且保持對稱。人型雙腳跨在主控板兩邊，向上直立豎起人型支架。支架由若干連接件，長條構成。肩膀處架有攝像頭，攝像頭另有一根固定在底盤上的桿固定。機器人頭部連著一個小舵機。

3 硬件系統

硬件系統主要由主控、紅外模塊、驅動模塊、導航模塊、攝像頭等構成，結構框圖如圖1所示。主控板為機器人核心部分，由主控芯片，顯示屏，I/O，A/D，紅外等相關元器件組成。將在特定軟件下編譯好的程序下載至主控芯片，主控芯片針對紅外反饋的環境信息，給電機、舵機等下發指令以完成相應動作。

3.1 主控制器

本設計主控芯片采用STM32F103ZET6芯片。該芯片是一種基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。擁有512K片內FLASH（相當于硬盤），64K片內RAM（相當于內存），片內FLASH支持在線編程（IAP）。同時有高達72M的頻率、數據、指令分別走不同的流水線，以確保CPU運行速度達到最大化。功能較齊全，便于控制[3]。

3.2 紅外模塊

紅外模塊分為避障與循跡兩個部分，由于紅外探測傳感器發出紅外光，常見光對它的干擾極小，可應用于智能小車的循線、避障以及其它機器人中物料檢測、灰度檢測等系統中。避障模塊采用E18-D50NK集發射與接收于一體的光電傳感器，發射光經過調制后發出，接收頭對反射光進行解調輸出有效的避免了可見光的干擾，如圖2所示。檢測障礙物的距離可以根據需求通過尾部的電位器旋鈕進調節。

循跡模塊包括12×2個二極管，1×2個LM339M芯片，4×2個LED，以及若干電阻等電子元件。

3.3 導航模塊

導航模塊采用JY901，該模塊包含有MPU6050、HMC5883、氣壓計等模塊，并通過板載模塊進行卡爾曼濾波生成方位數據，經IIC或串口與主控芯片通訊。

3.4 驅動模塊

本設計驅動模塊由電機與舵機組成。舵機采用4個MG995和2個MG90S。MG995型結構材質為模擬金屬銅齒、空心杯電機，雙滾珠軸承，反應轉速：無負載速度0.17秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V）。電機為直流電機組成（4個）。

3.5 攝像頭模塊

該機器人的攝像頭采用OV7670。其主要參數如下：感光陣列：640*480；電源核電壓：1.8VDV±10%；視場角：25°；光學尺寸：1/6”。

4 軟件系統

軟件系統包括如下幾個部分：

（1）繪圖軟件。Altium designer10、AutoCAD2010提供PCB、板子制作的電路圖、尺寸的繪制。

（2）編譯平臺。Keil uVision4提供機器人相關程序編寫平臺。其中涉及C語言程序編寫的相關知識，參考文獻4。

（3）下載模塊。JLINK-ARM作為STM32F103ZET6芯片燒寫器。

（4）圖像識別系統。

通過攝像頭OV7670識別景點的數字，并反饋會主控芯片。

圖像識別方案：模板法。通過上位機采集OV7670的數據，數據形式為十六進制，將采集出來的數據經過人為處理作為數字模板。在進行攝像頭識別的時候，與此時采集的圖像做比較來確認數字。優點：識別精度高；缺點：時間較久。

定位輔助：由于OV7670焦距視野的特點，照射范圍有限制，照射長度也需要控制在一定范圍內為宜，所以加入了紅外傳感器作為定位輔助，以提高性能。

5 特色點與創新點

5.1 外型結構自主設計制作

設計的機器人采用底座為玻纖板，人型支架為塑料的材質，這有利于后期的打孔，并節約材料、廢物利用，重要的是，塑料材料質量輕，壓低重心。外形結構具有以下幾個特性：

（1）穩定性。機器人在過門檻，路障時，特別是轉彎時需要注重其穩定性，兼顧速度。

（2）堅固性。具有一定的堅固性，盡量減少機器人受到撞擊時內部電元器所受到的的傷害。

（3）時速性。由于車身高度大，重心較高，偏前，需要保持一個較為穩定的加速度。

5.2 紅外避障系統和循跡系統的設計

5.2.1 紅外避障系統

循跡紅外上電復位后，首先進行系統初始化。避障紅外分別設置在前端，中部（以一定角度向右傾斜），后端。復位后，避障程序不斷循環運行，當前端朝下的紅外檢測到障礙時，前舵機會相應的放下，將機器人抬高，以通過門檻。當向后倒退時，有后端紅外來感應，行動方式亦然。

根據應用環境可能遇到的路障，因此需要通過紅外感應路障，并選擇順暢的路徑完成任務。當避障紅外感應到路障時，反饋回主控臺，通過程序的設定，選擇相應的路徑。（以分支口有三條路徑為例。）如圖3所示。

5.2.2 紅外循跡系統

循跡紅外上電復位后，首先進行系統初始化。復位后，循跡程序不斷循環運行，循跡紅外不斷感應場地的路線，將場地的路線反饋回主控板，主控板根據相應的情況，按照程序設定，使機器人完成相應動作，改變驅動電機的轉速，以使機器人能夠按照場地路線運行而不偏出。

機器人中間另設有兩個紅外，其功能可用來輔助循跡紅外，通過記錄紅外感應的次數，使其在十字路口等多分支路口轉向是起到準確轉彎，準確選擇設計路線等功能。

機器人活動部位是靠舵機驅動來實現的。當遇到門檻時，前底盤舵機驅動杠桿將前機身抬起，后輪驅動前行，使得機器人順利通過門檻障礙。當機器人向后時，后底盤舵機發揮作用。當到達每一個目標的時候，頂部的兩個舵機驅動機器人的手作前后擺動，小電機帶動乒乓球自制的機器人腦袋做左右90度旋轉。人形的設計使機器人的自由度可以通過不同的程序使其配合輪子進行不同程度的動作展示。

5.3 選擇最優路徑

本研究設計的機器人適合各地形，通過測試每段路程的時間，綜合考慮時間與分數，盡可能用有限的時間得到最高的分數。

5.4 程序的調試與運行

程序的調試運行是機器人能夠實際穩定運行必不可少的。需要考慮的因素：

（1）地面的摩擦。由于地面的粗糙程度和機器人重量會使機器人在轉彎發生一定的偏差。

（2）重心。機器人由于人形部分導致機器人的中心改變，在上坡、轉彎、過門檻的時候會產生一定的影響。

（3）速度。機器人需要追求速度，但要考慮到高速后轉彎的準確度會受影響，速度產生的慣性也會時機器人在運行時不穩定。

（4）其他因素。在調試的時候會發生一些意想不到的因素導致機器人運行不穩定。

根據影響條件，結合實際運行狀況調節相關參數。其中制定一些備案方案。比如：過彎可結合中間紅外的計數或者利用機器人的慣性或通過循跡紅外時時糾正等。

6 結語

本設計研究的基于旅游尋寶應用環境下的智能機器人，能夠較好地對該環境下的景點進行識別，具有較好的應變能力和對抗能力，給探測等應用背景提供有利的技術基礎。

參考文獻

[1]金周英.關于我國智能機器人發展的幾點思考[J].機器人技術與應用，2001，（4）：5-7.

[2]張偉.環境智能化與機器人技術的發展[J].機器人技術與應用，2008，3：13-16.

[3]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]譚浩強.C語言程序設計（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2014.

[5]Paolo Cornelli，Paolo Ferragina，Mario Notturno Granieri，Flavio Stabile.Optical recognition of motor vehicle license plates[C].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1995，44（4）：790-799.