面向指揮導(dǎo)航的室內(nèi)機器人系統(tǒng)研究

吳軼凡，王國慶，苑文峰，陳 凱，王明圣，牛雨喬，姚 鴻

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的日趨成熟，以及其與機器人、機械控制等領(lǐng)域的融合，致使智能化設(shè)備日新月異。室內(nèi)服務(wù)機器人是人類智慧與科學(xué)技術(shù)的完美結(jié)合，其研究涉及機械、自動化、控制、傳感器技術(shù)、信號處理、并行計算等多方面的前沿技術(shù)。

國外關(guān)于室內(nèi)機器人的研究較早，在學(xué)術(shù)成就及科技產(chǎn)品上都有令人矚目的成果。文獻［1］在前人研究的基礎(chǔ)上，通過將場景識別引入到SLAM，繼而創(chuàng)建了語義地圖，并將該語義地圖應(yīng)用于機器人Johnny中，實現(xiàn)了在生成的已知室內(nèi)環(huán)境地圖中的定位與導(dǎo)航；文獻［2］提出了室內(nèi)機器人在大規(guī)模復(fù)雜環(huán)境下的一種定位導(dǎo)航方案，并將方案應(yīng)用于商場導(dǎo)購機器人；文獻［3］重點研究了餐廳內(nèi)機器人的移動定位問題，在雙目攝像機觀測路標定位與視覺傳感器的全局觀測定位方法相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過粒子濾波定位和立體圖像匹配方法，使得室內(nèi)移動機器人更加智能化和自動化。在抗擊新型冠狀病毒的疫情中，南京第一醫(yī)院通過室內(nèi)機器人，對隔離病房和發(fā)熱門診等特殊區(qū)域進行消毒，有效地減少了醫(yī)院工作人員感染的風(fēng)險［4］。

本文對面向指揮的室內(nèi)機器人的總體方案和控制系統(tǒng)進行了分析研究。方案分為二部分：總體導(dǎo)航方案設(shè)計和室內(nèi)機器人控制系統(tǒng)硬件的方案設(shè)計。

1 面向指揮導(dǎo)航的室內(nèi)機器人總體設(shè)計

1.1 總體導(dǎo)航方案設(shè)計

為降低室內(nèi)機器人導(dǎo)航成本，采用視覺導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對已知室內(nèi)環(huán)境下室內(nèi)機器人的導(dǎo)航和定位。即在室內(nèi)頂部安裝一部魚眼攝像機，動態(tài)獲取室內(nèi)整體環(huán)境的俯視圖，并將俯視圖作為室內(nèi)機器人的導(dǎo)航地圖，導(dǎo)航架構(gòu)如圖1所示。針對室內(nèi)光照的強弱、反光等光照問題對視覺識別的影響，通過設(shè)置一些高亮度的標志，避免了系統(tǒng)標志物無法識別的情況發(fā)生?？刂剖覂?nèi)機器人移動之后，魚眼攝像機能夠動態(tài)地追蹤移動的室內(nèi)機器人，獲得室內(nèi)機器人移動過程中的動態(tài)坐標數(shù)據(jù)，將該位置點坐標顯示在監(jiān)控界面上，獲得該室內(nèi)機器人的運動軌跡。同時，室內(nèi)機器人也可通過慣性導(dǎo)航的方式作為輔助導(dǎo)航，在一定程度上提高機器人導(dǎo)航定位時的精度。為降低研發(fā)成本，將室內(nèi)機器人搭載Android手機。利用Android手機的內(nèi)置陀螺儀，獲取室內(nèi)機器人的移動加速度，并對該加速度進行積分，獲得室內(nèi)機器人的速度和位置，從而實現(xiàn)室內(nèi)機器人的慣性導(dǎo)航。

圖1 導(dǎo)航架構(gòu)圖Fig.1 Navigation architecture diagram

1.2 室內(nèi)移動機器人原型系統(tǒng)設(shè)計

室內(nèi)機器人原型系統(tǒng)主要由4部分組成：標志層、功能層、控制層和底盤。標志層處于室內(nèi)機器人的頂部，并用來放置高亮標志物，達到易于被室內(nèi)環(huán)境頂部的魚眼攝像機識別的目的；功能層與室內(nèi)機器人的應(yīng)用場合有關(guān)，需要跟隨實際情況做出調(diào)整以實現(xiàn)機器人在實際應(yīng)用環(huán)境中的功能。控制層通常為室內(nèi)機器人機械平臺，放置導(dǎo)航系統(tǒng)硬件控制器以及系統(tǒng)傳感器等硬件設(shè)施的預(yù)留層；底盤部分裝有室內(nèi)機器人原型系統(tǒng)的行走和驅(qū)動裝置，主要實現(xiàn)室內(nèi)機器人的行走、轉(zhuǎn)向、剎車等功能。

室內(nèi)機器人原型系統(tǒng)的底盤主要由驅(qū)動輪、從動輪、光電編碼器、回轉(zhuǎn)支承、剎車裝置、轉(zhuǎn)向傳動裝置、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、底盤框架等組成。

室內(nèi)機器人采用輪式底盤，形狀為圓形，驅(qū)動輪在前，從動輪在后的三輪底盤架構(gòu)，從而能夠提高室內(nèi)機器人直行與轉(zhuǎn)彎時的通過性。

2 機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

室內(nèi)移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計，采用以模擬模塊、通訊模塊、運動控制模塊和PC端軟件為主體的多核異構(gòu)架構(gòu)。室內(nèi)機器人控制系統(tǒng)主要分為通信模塊、驅(qū)動模塊、信號處理模塊、電源模塊等模塊的設(shè)計。本文主要對室內(nèi)機器人控制器硬件的總體架構(gòu)進行了設(shè)計，同時對傳感器模擬信號采集模塊進行了研究。

2.1 控制器硬件總體設(shè)計

為提高控制器的效率，將硬件的功能異構(gòu)重組后，劃分到幾個不同的模塊內(nèi)，每個模塊都具有可以進行獨立邏輯運算的處理主芯片，功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞通過自定義的增強型SPI進行數(shù)據(jù)通信。

導(dǎo)航系統(tǒng)硬件部分由以下3個主要模塊組成：模擬信號處理模塊，信息通訊模塊和運動控制模塊。模擬信號處理模塊的主要功能是傳感器信號采集和數(shù)據(jù)處理，同時產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號輸出；硬件控制系統(tǒng)和上位機之間通過信息通訊模塊進行數(shù)據(jù)交互，該模塊可選擇多種通訊模式，控制信息通過該模塊傳遞給各模塊的主芯片，同時將各模塊的數(shù)據(jù)上傳給上位機；運動控制模塊主要負責(zé)控制舵輪電機以及用于回轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)向電機，從而控制移動平臺前進、后退和轉(zhuǎn)彎等動作［5-6］，硬件控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of hardware control system

3個模塊之間無主次之分，可以互為主從關(guān)系，且相應(yīng)控制程序由對應(yīng)的主芯片來燒寫。可根據(jù)具體的應(yīng)用場景來確定主要處理模塊，實現(xiàn)了多核異構(gòu)架構(gòu)的通用性。

模擬信號處理模塊采用ARM Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F303系列主芯片，可對數(shù)據(jù)進行浮點運算且處理范圍較大，其次，芯片自帶的DSP庫有利于傳感器信號的處理，降低了控制系統(tǒng)的開發(fā)難度。

2.2 模擬信號處理模塊設(shè)計

對于室內(nèi)導(dǎo)航機器人，需要面對復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的各種挑戰(zhàn)，需要接收各種傳感器所采集的信號。如溫度傳感器、壓力傳感器和光線傳感器等，這些信號的高精度傳感器大多為模擬量。因此，各傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理模塊的準確性是硬件電路設(shè)計的重點。模擬信號處理模塊主要由5個模塊組成：信號采集子模塊、模擬信號生成子模塊、電橋信號處理子模塊、相關(guān)模塊間通信電路和電源模塊，模擬信號處理模塊實物圖如圖3所示。

圖3 模擬信號處理模塊Fig.3 Analog signal processing module

模擬信號采集子模塊主要由3部分組成：采集芯片、模擬信號選擇電路、穩(wěn)壓電路。采集芯片為AD8422，模擬信號選擇電路由CD4052和CD4051組成，穩(wěn)壓電路由LM385、OP1177H和LM334組成。AD8422處理芯片精度較高，功效和噪聲較小，并且該芯片輸入范圍較寬，適合處理傳感器信號。AD8422需要提供1.27V的參考電壓，該電壓可對±10 V的傳感器電壓進行比例衰減。該模塊的模擬通道為8路，其中6路模擬通道可以實現(xiàn)3個差分或6個單端電壓信號，采集傳感器的電壓最大為±10 V，剩余2路模擬通道用于采集4-20 mA的電流信號，使用兩個模擬開關(guān)CD4052B實現(xiàn)模擬通道的切換。

電橋信號采集子模塊可以采集兩路電橋信號，并對電橋信號進行標定和量化。子模塊采用HX711為主芯片進行電橋信號的處理，并且在芯片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源、晶振信號等外圍電路。在降低硬件成本的同時保留了芯片較強的抗干擾能力和響應(yīng)速度，提高了模塊的整體性和可靠性。

波形生成子模塊是信號發(fā)生模塊，可以生成多種波形的模擬信號，如正弦波、三角波、方波等。該模擬信號可用于各種測量、激勵和時域響等領(lǐng)域。子模塊波形的生成通過主芯片中程序?qū)δK內(nèi)數(shù)控振蕩器、頻率和相位調(diào)制器、SIN ROM、DAC的讀寫來進行控制。

電源子模塊提供了兩種供電方式：USB接口和插座式接口，供電電壓選擇+5 V。通過AMS1117芯片實現(xiàn)+5 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V的電壓，電源模塊-5 V電壓的供給通過ICL7660芯片實現(xiàn)，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS65130將+5V電壓轉(zhuǎn)換為+15 V電壓，同時該電壓也可為其它子模塊提供電壓，有效地提高系統(tǒng)的整體性。

3 結(jié)束語

針對室內(nèi)導(dǎo)航機器人的系統(tǒng)的準確定位問題，設(shè)計研究了面向指揮導(dǎo)航的室內(nèi)機器人系統(tǒng)的導(dǎo)航方案，同時在一定程度上降低了機器人控制器成本，提高了響應(yīng)速度，并對該模擬信號采集控制器的各子模塊的設(shè)計與各子模塊關(guān)系進行研究。將室內(nèi)機器人的信號采集、通訊和運動控制等功能分置于不同硬件模塊內(nèi)，對模擬信號采集模塊的硬件開發(fā)問題上進行了設(shè)計研究，提高了其通用性。同時控制系統(tǒng)對上位機的響應(yīng)速度以及對機械運動驅(qū)動和控制的可靠性也有所提高。