家用智能機器人的實現(xiàn)

1、機器人引論課程結(jié)業(yè)報告書題 目：家庭服務(wù)機器人的設(shè)計與實現(xiàn)姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)老師：設(shè)計時間：2013年6月 摘要 家庭智能機器人語音控制垃圾桶本系統(tǒng)以TMS320F2812為核心設(shè)計了一種智能家居裝置,實現(xiàn)了語音控制垃圾桶的運動。以拾音器作為聲音傳感器，采用延時估計法（Time Delay Estimation，TDE）實現(xiàn)了聲源方位的實時檢測；采用超聲波傳感器實現(xiàn)了垃圾桶行進的蔽障功能；同時，采用語音識別技術(shù)實現(xiàn)了對用戶的前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別。從而達(dá)到了垃圾桶的智能化、人性化的目的。關(guān)鍵詞：TMS320F2812，智能家居

2、，聲源定位，避障AbstractWe designed an intelligence household appliance an "on call" trash can ， realizing the voice-controlling movement, with the design centered of TI 's digital signal processor TMS320F2812. The system detects audio signal by using a pickup as a sound sensor, perceiving the

3、 direction of sound souce through the extension of estimation ( Time Delay Estimation. TDE) . Moreover, the ultrasonic can shun obstacles while the movement of the trash can. By this way, the garbage can is more human and intelligent, reaching the goal of “on-call” intelligence trash can.Keywords :

4、TMS320F2812 , smart home , sound source localization , shun obstacle目 錄1.緒論.42.總體設(shè)計.4 2.1.功能要求.4 2.2.方案論證.4 2.3.總體結(jié)構(gòu).53.機械本體介紹.64.運動學(xué)動力學(xué)分析.6 4.1.運動學(xué).6 4.2.動力學(xué).65.控制系統(tǒng)設(shè)計.8 5.1.傳感器.8 5.2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.95.2.1.電機選擇.95.2.2.驅(qū)動電路.105.2.3.傳感及信息處理電路.10 5.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.115.3.1.總體設(shè)計.115.3.2.控制算法 .116.評測.137.結(jié)論.148.參考文獻(xiàn)

5、.151.緒論隨著數(shù)字信號處理器的迅猛發(fā)展，智能控制技術(shù)也日益成熟。讓機器人聽懂人話，用聲音來操縱機器人進行一系列的工作，使之能與人交流、配合人類、服務(wù)人類是越來越多的工業(yè)、商業(yè)、家庭及其他部門亟待發(fā)展的課題之一?，F(xiàn)代家居中，人們越來越注重家中各種家具布局的智能化，合理化，科學(xué)化和人性化。生活中人們都需到一定的垃圾桶放置處扔垃圾，而且考慮到老人、孕婦或者有殘疾的病人，所存在的不便、費時、費勁等問題日益突出。針對此問題，本系統(tǒng)提出了具有“隨叫隨到”功能的垃圾桶的設(shè)計方案，即當(dāng)用戶想要扔垃圾的時候，只要一聲令下，垃圾桶就會快速準(zhǔn)確無誤地來到身邊。并且設(shè)計出了一套基于DSP控制的具有語音識別技術(shù)的聲

6、控智能垃圾桶，實現(xiàn)了對其“隨叫隨到”的控制。2.總體設(shè)計2.1.功能要求本系統(tǒng)以TMS320F28012作為核心控制器，以拾音器作為聲音傳感器，采用延時估計法，實現(xiàn)對用戶位置的實時檢測與自行判斷；采用超聲波傳感器實現(xiàn)自動躲避行進過程中的障礙，準(zhǔn)確到達(dá)用戶方位；同時，采用語音識別技術(shù)實現(xiàn)對用戶的前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別，從而使得家居中常用的垃圾桶具有聲控避障功能，能“隨叫隨到”，體現(xiàn)了智能化，充滿了人性化。2.2.方案論證系統(tǒng)硬件包括垃圾桶車體機械結(jié)構(gòu)和硬件控制電路。其中車體機械結(jié)構(gòu)為一部三輪小車車體，能按照在不同地點處的用戶所發(fā)出的聲音指令，自動行駛到用戶所在

7、地點。其工作原理為：首先通過語音識別模塊識別出用戶的呼叫命令，同時通過聲源定位模塊判斷用戶的所處位置，再通過DSP產(chǎn)生驅(qū)動電機的PWM信號，利用電機驅(qū)動模塊驅(qū)動垃圾桶自行向聲源方向行駛，并在行進過程中，利用避障模塊自行避開所遇障礙。同時，該系統(tǒng)還支持用戶對垃圾桶前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等語音控制。2.3.總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件控制電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括電源模塊、DSP最小系統(tǒng)、聲源定位模塊、語音識別模塊、避障模塊、電機驅(qū)動模塊。圖1為本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。 圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3.機械本體介紹 家庭服務(wù)機器人依靠底部的三個輪子在室內(nèi)自主地移動, 在它的內(nèi)部安裝有智能安防系統(tǒng),

8、 再結(jié)合家庭服務(wù)機器人外部的電子門禁、電子窗柵、紅外線傳感器、煙霧傳感器等就可以很好地實行智能安防, 并且還可以將室內(nèi)檢測到的信息通過無線網(wǎng)卡和手機短信模塊與在外的主人聯(lián)系。此外, 家庭服務(wù)機器人也可以代替人有效地完成清潔衛(wèi)生、報時催醒等服務(wù)工作, 為主人提供一個更加舒適和安全的生活環(huán)境。4.運動學(xué)動力學(xué)分析4.1.運動學(xué)當(dāng)兩驅(qū)動輪的角速度已知時, 左、右輪的角速度分別為、, 轉(zhuǎn)彎半徑也是t 的函數(shù)。由此可以求出家庭服務(wù)機器人的正向運動學(xué): (4)式中是家庭服務(wù)機器人的初始姿態(tài), 以逆時針為正。當(dāng)要求家庭服務(wù)機器人按確定軌跡運動, 即x(t)、y(t)、(t)已知時, 則驅(qū)動輪的運動規(guī)律可以根

9、據(jù)下式求出, 并且左、右驅(qū)動輪的運動規(guī)律將是唯一的, 由此可以求出機器人的逆運動學(xué): 4.2.動力學(xué)為了便于構(gòu)造家庭服務(wù)機器人的運動學(xué)和規(guī)劃控制其位姿, 用如下方法建立它的坐標(biāo)系。O- XYZ 為家庭服務(wù)機器人工作場所的固定參考坐標(biāo)系, 為機器人固連的坐標(biāo)系, R 是固連坐標(biāo)系的原點, 該點于右驅(qū)動輪中心重合, 與驅(qū)動輪同心, 指向左輪, X 與XR 間的夾角表示機器人的姿態(tài), 故機器人的位姿為 。在O- XYZ 中, 左輪的投影為 , 右輪的投影為 。為簡單起見, 把同軸的兩個獨立驅(qū)動輪簡化為圖2 所示, 并假設(shè)機器人在水平面上運動, 車輪只旋轉(zhuǎn)不打滑, 輪與地接觸點間的速度為零。因此, 可

10、以分別求出機器人的角速約束方程。假定機器人在任意一初始位置, 經(jīng)過時間t 后, 轉(zhuǎn)過角到達(dá)另一位置, 如圖2 和3 所示。在單位時間內(nèi)左輪比右輪多轉(zhuǎn)過的曲線位移為: (1)按式(1)所建立的運動學(xué), 機器人的運動方式只有直線和轉(zhuǎn)彎兩種。如果以右輪為圓心移動, 原點的輪子角速度已知, 在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過角度,則通過式(1)可得另一個非原點輪角速度方程: (2)對于直線運動而言, =0, 即兩輪同速轉(zhuǎn)動。q 的值應(yīng)該加以限制, 因為當(dāng)過大( 接近- ) 時將使過大, 在向心力作用下, 家庭服務(wù)機器人易產(chǎn)生運動位置誤差, 嚴(yán)重時會造成翻車。依分析得: (3) 式中L 代表機器人兩獨立驅(qū)動輪間的長度(

11、輪距) , r 是輪子半徑, 、表示機器人左輪、右輪的角速度, 為家庭服務(wù)機器人經(jīng)過時間t 轉(zhuǎn)過的角度, g 表示重力加速度, f 是輪與地面的摩擦系數(shù), R 為轉(zhuǎn)彎半徑。5.控制系統(tǒng)設(shè)計5.1.傳感器障礙檢測模塊作為對外部障礙信息的采集窗口，將行進過程中障礙信息檢測出來，并傳遞給DSP控制器進行處理。系統(tǒng)中采用的傳感器是UCM40T/R。如果傳感器接收到反射的超聲波,則通知DSP控制器有障礙物,反之則可以行駛。超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖如圖4所示。圖4 超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖5.2.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計5.2.1.電機選擇本系統(tǒng)的電源模塊如圖5所示，主要有：TMS320F2812芯片

12、的核心需要+1.8V供電，I/O口需要+3.3V供電；凌陽語音芯片SPCE061A的5V供電；拾音器的5V供電；直流電動機的5V供電。圖5 電源模塊5.2.2.驅(qū)動電路電機驅(qū)動模塊根據(jù)DSP控制器的控制信號驅(qū)動電機的運行：前進、轉(zhuǎn)彎、后退等。電機的驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動電路，如圖6所示。圖6 H橋驅(qū)動電路Q1、Q2、Q3、Q4 四個三極管組成四個橋臂，Q1 和Q4 組成一組，Q2 和Q3 組成一組，Q5 控制Q2、Q3 的導(dǎo)通與關(guān)斷，Q6 控制Q1 和Q4 的導(dǎo)通與關(guān)斷，而Q5、Q6由TMS320F28027的IO口來控制，這樣就可以通過IO輸出的高低電平控制四個橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制電機的運行狀

13、態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)，進而控制垃圾桶的行駛。為了避免用分立元件帶來的電路板過于復(fù)雜，在設(shè)計中使用了H橋驅(qū)動元件L298N芯片。5.2.3.傳感及信息處理電路本系統(tǒng)以凌陽語音芯片SPCE061A的精簡開發(fā)板作為語音模塊來實現(xiàn)語音的識別，與專用的語音處理芯片相比，省去了必要的硬件設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)的特點。該芯片擁有8路10位精度的ADC，其中一路為專用聲音轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制(AGC)電路，這為實現(xiàn)語音識別提供了方便的硬件條件。SPCE061A還具有通用異步串行接口（UART） 模塊，可以用來與TMS320F2812之間的串行通訊。借助于IOB 端口的復(fù)

14、用功能和UART IRQ 中斷，可以同時完成UART 接口的接收與發(fā)送過程。SPCE061A與TMS320F2812通過串口進行通信，如圖7所示。圖7 語音芯片SPCE061A與DSP的連接圖 5.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計5.3.1.總體設(shè)計本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、SCI通訊模塊、特定聲源定位算法模塊和避障軟件模塊。本系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖8所示。圖8 軟件總體框圖5.3.2.控制算法本系統(tǒng)的聲源定位算法主要基于傳聲器陣列時延估計法，利用AD采樣模塊檢測不同拾音器所接收到的聲音信號，算法實現(xiàn)上采用的是廣義互相關(guān)法。DSP采樣得到的波形接近為正弦波，將對應(yīng)采樣得到的值放入數(shù)組中保存，

15、首先進行相關(guān)運算，得出互相關(guān)譜。為了的避免誤差和雜音的干擾，進行了多次計算去除了誤差較大的值。其算法流程圖如圖9所示。圖9 聲源定位算法實現(xiàn)框圖同時，為了避免垃圾桶對接收到的任何聲音都進行定位，本系統(tǒng)在定位時加入了語音識別，即只對需要的聲音進行方位判斷，其算法流程圖如圖10所示。對特定聲音進行語音識別的流程框圖如圖11所示。 圖10 語音辨識整體框圖 圖11 特定聲音的聲源定位流程圖6.評測在設(shè)計過程中進行了大量的測試。分別在垃圾桶的左側(cè)和右側(cè)多個角度進行呼喚垃圾桶，垃圾桶接收到用戶的呼喚后能蛇形行駛到用戶身旁，并且能自動打開垃圾桶蓋，同時也能按照用戶的聲音指示進行行動。圖12 實驗測試平面關(guān)

16、系圖用戶相對垃圾桶所站的六個測試位置如圖12所示，其中用戶距離垃圾桶的直線距離均大于4米。測試結(jié)果如表1和表2所示。表1 特定聲音定位測試結(jié)果用戶用戶與垃圾桶中軸的角度到達(dá)用戶身邊的偏差距離1號30°（右）18cm2號90°（右）17cm3號60°（右）20cm4號30°（左）22cm5號60°（左）19cm6號0°24cm表2聲音識別測試結(jié)果用戶指令實驗次數(shù)正確次數(shù)前進10次9次左拐10次10次右拐10次10次停車10次8次打開10次9次關(guān)閉10次9次7.結(jié)論從上面一系列的實驗結(jié)果可以看到，此垃圾桶“聽”到主人的呼喊后能自動到達(dá)主人身邊，并且能識別主人的聲音進行一系列動作，證明該系統(tǒng)基本上能滿足要求，結(jié)果令人滿意。可以預(yù)計，隨著算法的進一步優(yōu)化，將會促進智能家居和機器人的巨大發(fā)展。8.參考文獻(xiàn)1 蘇奎峰，呂強，常天慶等.TMS320X281xDSP原理及C程序開發(fā).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.20082 移動機器人聽覺定位技