一種光伏智能導(dǎo)游機(jī)器人

徐壯華 謝 宇 林宇豪 楊 操 鄧雨軒 秦 燕

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226002 ）

0 引言

國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，首次將智能服務(wù)機(jī)器人列入先進(jìn)制造技術(shù)中的前沿技術(shù)[1]。但在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于技術(shù)和市場(chǎng)需求的限制，我國(guó)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展較為緩慢。直到近年來(lái)，全球服務(wù)機(jī)器人在技術(shù)和需求領(lǐng)域全面爆發(fā)，市場(chǎng)增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他類型機(jī)器人。在2021年1月25日，習(xí)近平書記在世界經(jīng)濟(jì)論壇“達(dá)沃斯議程”對(duì)話會(huì)上向世界承諾：中國(guó)將于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[2]。

在此大背景下服務(wù)型機(jī)器人和光伏行業(yè)開(kāi)始飛速發(fā)展。中國(guó)是一個(gè)旅游大國(guó)，經(jīng)調(diào)研，近年來(lái)國(guó)內(nèi)旅游人次屢創(chuàng)新高，疫情之前每年旅游人次超60億[3]，但服務(wù)型機(jī)器人卻沒(méi)有專門針對(duì)旅游行業(yè)進(jìn)行發(fā)展，該文所設(shè)計(jì)的光伏智能導(dǎo)游機(jī)器人可以很好地彌補(bǔ)這一空缺。

該文設(shè)計(jì)的光伏智能導(dǎo)游機(jī)器人改變了傳統(tǒng)導(dǎo)游的方式，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)游行業(yè)人力成本高、人員情緒化和游客景點(diǎn)體驗(yàn)感差的痛點(diǎn)。在越來(lái)越高的旅游需求刺激下，光伏導(dǎo)游機(jī)器人重新定義了導(dǎo)游工作，在領(lǐng)路、打招呼、講解等方面將以更有趣的方式面向游客，使用戶在進(jìn)入時(shí)感受不一樣的服務(wù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 供電模塊

供電模塊主要由鋰電池和CIGS薄膜太陽(yáng)能電池板兩部分構(gòu)成，蓄電池是導(dǎo)游機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的主要供電來(lái)源，CIGS薄膜太陽(yáng)能作為輔助能源對(duì)電池進(jìn)行充電或者直接供應(yīng)負(fù)載運(yùn)行，該電池板的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15.7%，最好可達(dá)23%，質(zhì)量較輕，發(fā)電效率是正常電池板的3倍，可以很好地為負(fù)載或者蓄電池提供輔助功能。

供能采用雙電瓶輪流供電方式，即蓄電池a和蓄電池b。利用控制STM32單片機(jī)的PA0接口檢測(cè)2塊電瓶的電壓信號(hào)，先由ADCO804對(duì)采樣來(lái)的電壓模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至單片機(jī)PAO口，判斷當(dāng)前2個(gè)蓄電池的狀態(tài)。鋰電池在充、放電的過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)不斷進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部電阻不穩(wěn)定，有可能會(huì)導(dǎo)致電壓信號(hào)不穩(wěn)定。因此每隔5秒進(jìn)行一次電壓檢測(cè)，每次連續(xù)采樣5次進(jìn)行電壓比較，蓄電池a或者b必須連續(xù)3次高于另外一蓄電池檢測(cè)的電壓值，并高于可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓AD值，才可確定哪個(gè)蓄電池進(jìn)行供電，另外一個(gè)蓄電池則由CIGS太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電。測(cè)試試驗(yàn)表明，充滿電時(shí)電源AD閾值為120～130左右,當(dāng)電源電壓AD值高于70時(shí)，機(jī)器人可穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 避障模塊

1.2.1 避障傳感器選擇

避障模塊采用的是HJ-IR2紅外避障與HC-SR04超聲波避障相結(jié)合的方式，選用2種傳感器相結(jié)合是因?yàn)槌暡▊鞲衅鞑皇軕敉饣覊m、光、薄霧等因素的影響，但是超聲波傳感器在感應(yīng)熱量活物方面、測(cè)量導(dǎo)游機(jī)器人與物體接近度的精度方面比不上紅外傳感器，因此選擇二者相結(jié)合的方式比單獨(dú)使用效果更優(yōu)。并且二者的正常工作電壓都在3.3V～5V，控制系統(tǒng)也可以相互兼容。超聲波探測(cè)器的探測(cè)角度在15°～20°，探測(cè)盲區(qū)值在2 cm～4 cm，探測(cè)范圍在2cm～400cm，紅外探測(cè)角度范圍在0°～35°，探測(cè)盲區(qū)在2cm～4 cm，二者探測(cè)周期都為200 ms，探測(cè)延時(shí)也都為0.01ms，在各項(xiàng)數(shù)據(jù)上的相似性也可以很好地兼容，并且可以通過(guò)合理的布局解決盲區(qū)的問(wèn)題。

1.2.2 避障傳感器布局

傳感器的布局是由8個(gè)紅外傳感器和8個(gè)超聲波傳感器組成的。紅外線傳感器的發(fā)射器和接收器具有一定的波束角，波束角如果受到環(huán)境的影響，回波信號(hào)沒(méi)有進(jìn)入可接收范圍，則會(huì)產(chǎn)生誤判。同樣，超聲波傳感器也存在類似問(wèn)題，解決的辦法是將傳感器按一定位置布局，減少盲區(qū)范圍，傳感器布局如圖1所示。

圖1 傳感器分布網(wǎng)絡(luò)

圖1中實(shí)線部分為機(jī)器人不規(guī)則的底盤驅(qū)動(dòng)外形圖，點(diǎn)畫線表示的則是超聲波傳感器的布局，即按照?qǐng)A周分布，且發(fā)射器和接收器交錯(cuò)放置，其中R1～R8代表的是8個(gè)發(fā)射器，T1～T8是8個(gè)接收器。紅外傳感器即在車體的上層和超聲波傳感器的發(fā)射端相對(duì)應(yīng)，每一個(gè)發(fā)射器對(duì)應(yīng)一個(gè)方向，即：從R1～R8分別對(duì)應(yīng)前、左前、左、左后、后、右后、右和右前。同理，每個(gè)紅外傳感器也對(duì)應(yīng)一個(gè)方向。

1.2.3 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波和紅外傳感器的VCC、GND引腳分別接入控制控板的Vdd、GND，它們各自的Trig、Echo和OUT引腳分別接入STM32單片機(jī)的PA1和PA2等16個(gè)端口。因?yàn)?個(gè)感應(yīng)器的發(fā)射波形即返回路徑的差異使紅外感應(yīng)器近距離檢測(cè)的準(zhǔn)確度高于超聲波傳感器,于是就需要在離障礙物3m～4m時(shí)使用STM32的中斷技術(shù),以確定超聲波傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)為避障優(yōu)先級(jí)別,在離障礙物的1.5 m～3 m時(shí)判斷超聲波傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)位為避障優(yōu)先級(jí)別，在離障礙物1.5 m～3 m時(shí)，以紅外傳感器的避障數(shù)據(jù)為優(yōu)先處理級(jí)別。

避障開(kāi)始時(shí)，即R1～R8發(fā)射40 kHz的超聲波脈沖，在探測(cè)的3 m范圍內(nèi)沒(méi)有障礙物時(shí)，輸出為高電平即為1，小車按照原定道路一直前行。當(dāng)在1.5 m～3 m檢測(cè)到障礙物時(shí)，超聲波發(fā)射的40 kHz被接收器接收回來(lái)，即T1～T8，經(jīng)過(guò)集成芯片比較放大后，進(jìn)行輸出低電平即為0。這時(shí)將分布在光伏智能導(dǎo)游機(jī)器人前、左前、左、左后、后、右后、右和右前8個(gè)方位傳輸回STM32的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓比較，比較出最優(yōu)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)其余模塊進(jìn)行配合工作。當(dāng)檢測(cè)距離在1.5 m以內(nèi)，光伏導(dǎo)游機(jī)器人進(jìn)行后退或者停止等待，避障流程圖如圖2所示。

圖2 避障流程圖

1.3 路線規(guī)劃模塊

路線規(guī)劃模型主要采用了即時(shí)定位和地圖建模技術(shù)（Simultaneous Localization And Mapping，SLAM），通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是機(jī)器人可以在陌生的自然環(huán)境中從任何地點(diǎn)出發(fā)工作，在工作中通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的測(cè)量判斷自身方位、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡,并同時(shí)構(gòu)造出室內(nèi)地圖。它主要由傳感器數(shù)據(jù)、前端里程計(jì)、后端優(yōu)化以及地圖構(gòu)建4個(gè)子模塊構(gòu)成。

當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，先由位于機(jī)器人底盤的2D激光傳感器LMS400發(fā)射端發(fā)射激光探測(cè)周圍環(huán)境，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ROS上位機(jī)傳輸回STM32單片機(jī)。

通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程（由k-1時(shí)刻的位姿得到k時(shí)刻的位姿，如公式（1）所示）和觀測(cè)方程（機(jī)器人在位姿點(diǎn)xk看到某個(gè)路標(biāo)點(diǎn)yi，產(chǎn)生一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)Zk,j，如公式（2）所示）精確地計(jì)算出Xk和Zk,j的值。

式中：vk為輸入；wk為運(yùn)動(dòng)傳感器的噪聲。

式中：vk,j為觀聲。

前端里程計(jì)主要是為了計(jì)算機(jī)器人在相鄰時(shí)間的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，用方位和姿勢(shì)表征，而每時(shí)刻方位和姿態(tài)姿組合即為其具體的運(yùn)行路徑，所以用前端里程計(jì)就完成了對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程Xk圖的具象化。后端優(yōu)化是SLAM的核心,其子模塊在前端根據(jù)機(jī)器人實(shí)時(shí)的位移、狀態(tài)及回環(huán)檢測(cè)的數(shù)據(jù)具體設(shè)計(jì)路徑和地圖,于是后端優(yōu)化就采用了Gmapping方法。而Gmapping方法是一種采用了2D激光雷達(dá)的RBPF(Rao-Blackwellized Particle Filters)方法進(jìn)行二維柵極圖建模的SLAM方法。Gmapping可以實(shí)時(shí)構(gòu)建室、內(nèi)外環(huán)境地圖，在小場(chǎng)景中計(jì)算量少，且地圖精度較高，對(duì)激光雷達(dá)掃描頻率要求較低。但Gmapping算法無(wú)法和傳統(tǒng)的回環(huán)檢測(cè)兼容，所以在構(gòu)建二維柵格地圖存在一定的漂移距離，經(jīng)模擬數(shù)據(jù)顯示漂移距離在2 m左右?？紤]景點(diǎn)人員嘈雜，難免與機(jī)器人發(fā)生碰撞，所以在可接受范圍之內(nèi)。

完成并輸出二維柵格地圖時(shí),就要開(kāi)始進(jìn)行對(duì)景區(qū)具體的規(guī)劃,考慮景區(qū)道路情況復(fù)雜，采取了全域路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式。在全域規(guī)劃中使用RRT算法,它是一個(gè)基于隨意采集的路徑搜索算法。通過(guò)狀態(tài)空間的隨機(jī)采樣點(diǎn)，不斷在空白區(qū)域進(jìn)行搜多，進(jìn)而尋找到可行路徑。由于是隨機(jī)采樣，因此不一定是最短路線，但還有局部路線規(guī)劃進(jìn)行輔助，即通過(guò)激光傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和DWA算法不斷構(gòu)建動(dòng)態(tài)窗口，以構(gòu)建出最優(yōu)游覽路線，并不斷與全局規(guī)劃的路線進(jìn)行對(duì)比，更新全局規(guī)劃路線中沒(méi)有的信息。這樣不斷反復(fù)更新直至局部地圖信息全部更新到全局路線規(guī)劃中，此時(shí)柵格地圖才算全部構(gòu)建完成。

1.4 交互模塊

該設(shè)計(jì)的交互模塊主要由語(yǔ)音交互模塊以及觸控屏組成。語(yǔ)音交互模塊中集合了語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音播報(bào)和語(yǔ)音喚醒功能，主要由控制模塊、SYN7318語(yǔ)音芯片模塊和收放模塊3個(gè)子模塊組成。

語(yǔ)音模塊開(kāi)始工作時(shí)，可以通過(guò)喚醒詞喚醒模塊進(jìn)行工作。但由于語(yǔ)音芯片SYN7318的限制，因此不能實(shí)現(xiàn)自定義語(yǔ)音喚醒，只能從芯片中特定的6個(gè)喚醒詞中選取一個(gè)作為本機(jī)器人采用的喚醒詞，即“百靈”。當(dāng)喚醒詞的語(yǔ)音信息經(jīng)由收放模塊中的麥克風(fēng)收集后，再通過(guò)UART接口將語(yǔ)音信息傳遞給上位機(jī)，也就是控制模塊?？刂颇K開(kāi)始對(duì)SYN7318語(yǔ)音芯片模塊進(jìn)行控制室命令的輸出，也就是開(kāi)始識(shí)別語(yǔ)音信息的信號(hào)輸出。SYN7318語(yǔ)音芯片模塊完成內(nèi)部的語(yǔ)音識(shí)別（內(nèi)部語(yǔ)音識(shí)別功能之一是支持1000條語(yǔ)音詞條的識(shí)別，可以很輕松地理解語(yǔ)義，提供豐富的交互內(nèi)容）后，由SYN7318語(yǔ)音芯片模塊中自帶的MP3進(jìn)行播報(bào)，再通過(guò)UART接口將需要交互的語(yǔ)音信息發(fā)聵給控制模塊?？刂颇K通過(guò)收放模塊中的喇叭播報(bào)語(yǔ)音信息（語(yǔ)音交互工作流程如圖3所示）。當(dāng)在語(yǔ)音交互模塊識(shí)別不準(zhǔn)確時(shí)，可以通過(guò)機(jī)器人正前方的觸控屏進(jìn)行交互，觸控屏交互界面如圖4所示。

圖3 語(yǔ)音交互工作流程

圖4 觸控屏交互界面

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用2個(gè)RZ7899芯片作為驅(qū)動(dòng)，每個(gè)芯片可承受3 A的驅(qū)動(dòng)電流和3 V～25 V的驅(qū)動(dòng)電壓，與主控制模塊STM32F101 R8T6單片機(jī)引腳相連，控制OUTA和OUTB輸出狀態(tài)。2路輸出均可通過(guò)不同電平組合獨(dú)立控制一個(gè)直流電機(jī)前進(jìn)、后退、制動(dòng)，見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用雙電機(jī)，智能導(dǎo)游機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，尤其是實(shí)時(shí)行進(jìn)速度。由于該設(shè)計(jì)所采用的MC9SXS128系統(tǒng)板自帶一路脈沖捕捉電路，因此可以測(cè)出其中一個(gè)電機(jī)的速度，另一個(gè)電機(jī)的速度采用ITR8307芯片來(lái)測(cè)量。

調(diào)速模塊使用了由達(dá)林頓管構(gòu)成的H型橋式電路的直流電機(jī)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管，使其工作在占空比可調(diào)控制的開(kāi)關(guān)狀況下準(zhǔn)確地調(diào)整電器轉(zhuǎn)速。這個(gè)回路由于作用在管子的飽和截止?fàn)顩r下,因此效率特別高。而H型橋的電路由于能夠準(zhǔn)確完成轉(zhuǎn)速和方位的調(diào)整,因此開(kāi)關(guān)速率特別高，且安全性較好。

導(dǎo)游機(jī)器人通過(guò)后臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析對(duì)游客們?cè)诟鱾€(gè)景點(diǎn)的游玩時(shí)間與路程進(jìn)行精準(zhǔn)的速度調(diào)控，讓游客的游覽體驗(yàn)感更舒適，并且游客還可以根據(jù)自己的需求在各個(gè)景點(diǎn)選擇游玩速度。

1.6 自檢模塊

自檢模塊主要用于檢測(cè)各模塊的電流、電壓和溫度是否正常。出現(xiàn)異常情況時(shí)，導(dǎo)游機(jī)器人可以自動(dòng)切斷電源，并把相關(guān)的異常情況發(fā)送到控制管理中心，以便管理人員能夠及時(shí)了解異常信息并做出處理。

自檢模塊的工作流程如下：開(kāi)機(jī)之后，通過(guò)主函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)自檢函數(shù)system_check( )進(jìn)行自檢。程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)有大概500 μs的延時(shí)，這是為了防止系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)參數(shù)不穩(wěn)定造成的讀數(shù)錯(cuò)誤。在這之后程序會(huì)依序啟動(dòng)各個(gè)模塊所在的A/D轉(zhuǎn)換器讀取信號(hào)，如果模塊故障或拔出，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓將為5 V，轉(zhuǎn)換結(jié)果將是255，并將此數(shù)據(jù)作為判斷傳感器是否正常的標(biāo)準(zhǔn)。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

該文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1）電源方面，采用光伏發(fā)電裝置，解決了因傳統(tǒng)火力發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題，達(dá)到了節(jié)能減排、綠色環(huán)保的效果。同時(shí)采用自主設(shè)計(jì)的雙電池控制系統(tǒng)，續(xù)航能力強(qiáng)勁，是正常服務(wù)型機(jī)器人的1.5倍左右。2）在交互模式方面，采用雙交互模式，當(dāng)語(yǔ)音交互不準(zhǔn)確時(shí)，可以采用高分辨的顯示觸控屏，并在屏幕上顯示人流監(jiān)控，游客可以根據(jù)自己的需求自由選擇導(dǎo)游機(jī)器人的行進(jìn)速度，游客體驗(yàn)感增強(qiáng)。讓游客更好地選擇游覽路線，還可以與游客進(jìn)行簡(jiǎn)單日常交流。3）采用了全局路線規(guī)劃與局部路線規(guī)劃相結(jié)合的方式，局部路線規(guī)劃實(shí)時(shí)用激光傳感器構(gòu)建并傳輸數(shù)據(jù)與全局相對(duì)比，以達(dá)到精準(zhǔn)的路線數(shù)據(jù)展示。

3 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的是一款應(yīng)用于旅游景點(diǎn)的光伏智能導(dǎo)游機(jī)器人，主要由供電模塊、避障模塊、路線規(guī)劃模塊、交互模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及自檢模塊6個(gè)部分構(gòu)成。選用STM32F101 R8T6作為主控制芯片，可以快速處理其他各模塊功能，例如語(yǔ)音指令、路線規(guī)劃和電機(jī)調(diào)速等。在向目的地前進(jìn)的過(guò)程中，避障模塊可以做到快速識(shí)別并反應(yīng)，以達(dá)到避障的目的。不僅如此，自檢模塊還可以在導(dǎo)游機(jī)器人出現(xiàn)故障或者完成一個(gè)導(dǎo)游任務(wù)之后進(jìn)行自檢，將存在的問(wèn)題及時(shí)反饋給控制管理中心。這不僅可以節(jié)省人力成本，在疫情期間還可以減少人與人之間直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)后疫情時(shí)代的旅游業(yè)發(fā)展。