基于雙控制技術的智能機器導盲犬的設計與實現(xiàn)

花良浩，楊潤賢

（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127）

基于雙控制技術的智能機器導盲犬的設計與實現(xiàn)

花良浩，楊潤賢

（揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127）

本文主要介紹以MultiFLEX2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機為核心的智能機器導盲犬一種設計，并利用NorthSTAR程序編寫器及Kill-Uv4進行軟件開發(fā)，構(gòu)建輪式移動仿生型機器導盲犬。機器導盲犬以“u_blox-neo_6m”GPS模塊實現(xiàn)定位導航功能，采用五路超聲波測距傳感器檢測障礙物，利用視頻傳感器辨別道路等狀況，以雙系統(tǒng)控制平臺采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自主避障、定位導航、語音控制/提示等功能，以及控制的自動化，為智能導盲犬的設計提供了一種思路，具有非常廣泛的實用價值。

機器導盲犬；雙控制器；避障；GPS導航；語音控制

導盲犬是一種工作犬，其主要工作是代替視障人士的雙眼，為他們領路。但事實上，各類犬種的導盲犬需花費很大一部分的人力、時間去培養(yǎng)，成本很高，市場銷售價格也極其昂貴。就我國目前的市場調(diào)研情況來看，記錄在冊的導盲犬數(shù)量極少，并且具備引領盲人出行功能的此類導盲犬更是鳳毛麟角，導盲犬的訓練成本極高，訓練時間長久，人與犬直接的融洽交流也需要時間培養(yǎng)，因此，基于雙控制技術的智能機器導盲犬的研發(fā)引起了人們的關注。雙控制技術充分彌補了單一控制技術的局限性，為智能導盲犬提供了嶄新的思路。

在智能機器導盲犬應用領域，國外的技術相對成熟，如日本精工株式會社（NSK）和電氣通信大學研制出的一款機器導盲犬，該機器導盲犬原型已經(jīng)進入第三階段，該導盲犬采用微軟的XBOX體感外設Kinect機器人進行探測，當機器掌握周圍地形環(huán)境之后便指導盲人行走，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。但是定位導航是此機器導盲犬的一大遺憾，這給盲人的安全出行帶來極大的不便。而且昂貴的價格也讓人們望而卻步。哈爾濱理工大學研發(fā)的機械導盲犬，具有循跡、繞障功能，語音播報功能，GPS導航功能和太陽能電板，目前此款機器還仍處于實驗室開發(fā)階段，并且此款機器導盲犬攜帶不便，而且無人機對話功能，這樣人與機器之間就無法溝通。河南理工大學研發(fā)的智能導盲車具有GPS自主導盲、人動力牽引、語音播報、GSM獲取盲人位置信息、傾角傳感器傾翻報警。由于導盲車的笨重繁瑣、人力牽引，給盲人帶來許多出行的不便，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)進行正?；顒?，盲人在途中要改變航線，只能通過重啟方式改變目的地，操作過于麻煩。目前還沒有能夠?qū)嶋H應用在各種路況環(huán)境下的智能機器導盲犬，應用與實際日常生活中的智能機器導盲犬功能不全，安全系數(shù)不高。

本 文 以 MultiFLEXTM2-PXA270控 制 器 和STC89C52RC單片機控制協(xié)同控制，充分結(jié)合各個控制器的優(yōu)點，通過各類傳感器組合檢測當前環(huán)境，并通過語音系統(tǒng)實現(xiàn)人機交流控制。彌補了國內(nèi)導盲產(chǎn)品的空缺，為盲人出行帶來方便，且集齊優(yōu)點于一體，產(chǎn)品價格低廉，擁有廣闊的市場前景。

一、智能機器導盲犬總體設計

1.系統(tǒng)功能設計

（1）語音定點定位導航功能

此功能由51單片機以及MultiFLEXTM2-PXA270控制器配合控制實現(xiàn)，由MultiFLEXTM2-PXA270控制器接收到準確語音指令后確定與指令相關的目標地點，并利用單片機實現(xiàn)與GPS定位器的實時通信，根據(jù)GPS提供的實時地點實現(xiàn)準確的導航功能，然后按照預定軌跡運行。

（2）智能避障及道路邊線循跡功能

在自動導航過程中，機器犬遇到障礙物可自動選擇繞行，并根據(jù)繞行距離計算出航向的偏離程度，GPS重新進行定位，依據(jù)原有導航路線數(shù)據(jù)，驅(qū)動機器人移動部分，重新回到原有路徑。

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

（3）目標識別功能

機器犬到達導航地點后，利用視覺傳感器將全方位檢測下的圖像轉(zhuǎn)換到HIS空間，根據(jù)H色調(diào)數(shù)據(jù)與存儲在MultiFLEXTM2-PXA270控制器中的目標的H色調(diào)標識相比較，當目標信息基本符合后，機器人向目標先進，自此機器人到達目標點。

（4）語音聊天及娛樂功能

機器導盲犬在程序編寫過程中，利用 Multi-FLEXTM2-PXA270控制器以及機器犬身體各部分硬件，可以實現(xiàn)智能機器導盲犬的簡單的語音聊天功能、音樂播放以及玩耍跳舞等娛樂功能。

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

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

隨著社會對智能機器功能要求越來越高。系統(tǒng)設計開發(fā)難度大，精確度不高，可擴展性不強，結(jié)合系統(tǒng)功能設計要求，本文基于MultiFLEXTM2-PXA270控制器和STC89C52RC單片機設計的智能機器導盲犬來解決上述問題。

圖1　智能機器導盲犬總體結(jié)構(gòu)框圖

上圖為本文設計的機器導盲犬系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，整個設計主要由以下幾個部分組成：

（1）MultiFLEXTM2-PXA270控制器航向計算、移動平臺速度及航向角計算：主要完成機器人實時定位及導航算法。

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

（3）語音判斷及對話功能：接受盲人的語音指令，判斷指令正確與否，實現(xiàn)與盲人的溝通和娛樂功能。

（4）視覺偵別判斷：準確判斷目標，在反復檢測后，幫助盲人到達最終目的地。

整個系統(tǒng)利用各傳感模塊和對應算法實現(xiàn)機器導盲犬的最終導盲功能。盲人將通過語音系統(tǒng)指令控制機器人，GPS定位、避障、視覺檢測模塊幫助機器人正確規(guī)劃路徑，以及安全行駛能力。系統(tǒng)在運行過程中實時采集當前環(huán)境數(shù)據(jù)，語音提示盲人，檢測機器人行駛路線，并在目標出現(xiàn)后正確判斷目標的功能。

二、系統(tǒng)的硬件組成

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

圖2　機器導盲犬硬件設計

三、系統(tǒng)的軟件組成

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

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

圖3　智能機器導盲犬流程圖

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

圖4　導航功能控制圖

GPS模塊上電工作時，通過GPS接收天線接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的定位信號，經(jīng)過CPU主控器處理，計算出車輛的日期、時間、經(jīng)緯度、速度和行駛方向等定位數(shù)據(jù)，并將計算出的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)部導航算法實現(xiàn)機器人導航功能。

本文所設計的機器人導盲犬在分析導航、避障、目標識別模塊的基礎上，提出了系統(tǒng)導航、避障原理及視覺追蹤的原理及算法，綜合了三大類傳感模塊實現(xiàn)了雙控制器機器人在無人引導環(huán)境下的導盲功能。本系統(tǒng)的實際導盲功能還有很高的提升空間，如實現(xiàn)記憶導航，更高精度避障及環(huán)境識別功能，提高對各類道路目標的識別度，實現(xiàn)機器人在短距離、最準確定位的導盲功能?？偟膩碚f，該機器導盲犬系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了簡單環(huán)境下對盲人引導的實用性功能，獲得全國職業(yè)院校技能大賽創(chuàng)新成果交流賽一等獎。

［1］韓雪峰.導盲機器人［D］.哈爾濱工程大學，2009.

［2］李偉偉，苗壯，王玉凱，薛吉星.基于GPS的園區(qū)導盲車設計［J］.科技與企業(yè)，2011（10）:117-119.

［3］R·西格沃特，IoR·諾巴克什，D·斯卡拉穆扎.自主移動機器人導論［M］.李人厚，宋清松，譯.西安：西安交通大學出版社，2013.

［4］孫育才，孫華芳.MCS-51系列單片機及其應用［M］.南京：東南大學出版社，2012.

［5］彭偉.單片機C語言程序設計實例100例A Modified Approach to Observer-based FaultDetection［C］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［6］張強，吳云東，楊天恒.數(shù)字羅盤在超低空遙感平臺的應用［J］.測繪科學技術學報，2007（2）:43-47.

［7］袁書明，楊曉東，陳建華.導航系統(tǒng)應用數(shù)學分析方法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

T-1

A

1673-0046（2015）11-0194-03

中央財政支持的職業(yè)教育實訓基地建設項目（蘇教財［2012］117號），江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃（201513754004Y，201513754005Y），揚州市工程技術研究中心。］