遼寧大學(xué)物理學(xué)院 尤洪祥 徐攀峰 李麗娜 王 越 劉 暢

基于射頻識(shí)別的室內(nèi)導(dǎo)游機(jī)器人設(shè)計(jì)

遼寧大學(xué)物理學(xué)院 尤洪祥 徐攀峰 李麗娜 王 越 劉 暢

【摘要】本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于射頻識(shí)別技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)游機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇AT89C52型單片機(jī)作為機(jī)器人的控制核心，在上位PC機(jī)協(xié)助下，利用射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主定位與路徑規(guī)劃，通過(guò)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，配合語(yǔ)音播放功能，較好的實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)功能。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)游機(jī)器人；射頻識(shí)別；語(yǔ)音播放

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)智能導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，采用單片機(jī)與PC機(jī)相結(jié)合，借助射頻識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建虛擬坐標(biāo)系完成機(jī)器人的自身定位和自主導(dǎo)航，并利用語(yǔ)音芯片開(kāi)發(fā)了語(yǔ)音解說(shuō)服務(wù)功能。

1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本室內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人可完成根據(jù)指定路線導(dǎo)航行進(jìn)、到達(dá)特定地點(diǎn)停止并進(jìn)行語(yǔ)音解說(shuō)的功能。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2、機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、機(jī)器人主體、射頻識(shí)別模塊、語(yǔ)音模塊和藍(lán)牙模塊。

2.1 射頻識(shí)別模塊

射頻識(shí)別模塊由射頻讀卡器和射頻標(biāo)簽卡兩部分組成。在導(dǎo)游服務(wù)區(qū)域鋪設(shè)射頻標(biāo)簽卡，機(jī)器人利用射頻讀卡器獲取代表位置信息的射頻標(biāo)簽的電子編碼，傳輸給單片機(jī)，以此作為定位參考。射頻讀卡器采用DM-S28140型射頻識(shí)別卡，配合EM4100無(wú)源只讀125KHz標(biāo)簽卡使用，其/ENABLE及SOUT端分別連接至單片機(jī)的相應(yīng)IO口。

當(dāng)讀卡器上電并且/ENABLE線被拉高，模塊將處于非活動(dòng)狀態(tài)（待機(jī)模式）。當(dāng)/ENABLE線被拉低，RFID讀卡器進(jìn)入有效狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)天線查詢(xún)標(biāo)簽。讀取完畢后，數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.2 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊采用WT588D型可擦寫(xiě)語(yǔ)音芯片作為語(yǔ)音模塊的核心，配套WT588D VioceChip上位機(jī)操作軟件可隨意更換WT588D語(yǔ)音單片機(jī)芯片的任何一種控制模式，把信息下載到SPI-Flash上即可。

2.3 藍(lán)牙模塊

機(jī)器人藍(lán)牙模塊用于下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。機(jī)器人藍(lán)牙模塊分為主模塊和從模塊兩部分。主模塊通過(guò)USB-串口轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)連接，從模塊則直接與下位機(jī)進(jìn)行連接。從模塊與射頻識(shí)別模塊共用RXD接口。

3、機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用PC機(jī)作為上位機(jī)、單片機(jī)作為下位機(jī)，兩者共同協(xié)作完成相應(yīng)功能。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析和處理，并根據(jù)分析結(jié)果和處理結(jié)果生成相應(yīng)指令，下位機(jī)則主要負(fù)責(zé)采集位置信息，并對(duì)上位機(jī)的指令作出應(yīng)答（執(zhí)行或回應(yīng)），直接控制和檢測(cè)各個(gè)分模塊的工作和運(yùn)行。上位機(jī)、下位機(jī)之間則通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。

3.1 射頻識(shí)別程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走時(shí)，射頻識(shí)別卡將處于開(kāi)啟狀態(tài)。機(jī)器人行走在標(biāo)簽卡上，一旦檢測(cè)到標(biāo)簽卡，會(huì)觸發(fā)串口中斷，機(jī)器人立刻停止前進(jìn)，讀取標(biāo)簽的電子編碼即ID號(hào)，每個(gè)射頻標(biāo)簽卡都具有唯一的ID號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到結(jié)束位時(shí)，單片機(jī)控制拉高/ENABLE位電平，關(guān)閉讀卡器以釋放串口資源，再將ID號(hào)寫(xiě)入串口，經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)，做相應(yīng)的分析和處理。當(dāng)機(jī)器人接收到來(lái)自上位機(jī)的前進(jìn)指令時(shí)，機(jī)器人首先前進(jìn)一小段距離，以避開(kāi)上次讀取ID的位置。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用一對(duì)伺服舵機(jī)，通過(guò)控制高電平持續(xù)的時(shí)間來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。左右電機(jī)通過(guò)單片機(jī)相應(yīng)端口進(jìn)行控制，通過(guò)單片機(jī)控制器程序向電機(jī)引腳重復(fù)發(fā)送特定脈沖序列，即可控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。

3.3 語(yǔ)音播放程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播放由單片機(jī)接收上位機(jī)相應(yīng)控制指令，再由單片機(jī)直接控制完成。在三線串口控制模式下，語(yǔ)音芯片的控制引腳由片選CS、時(shí)鐘CLK 、數(shù)據(jù)DATA、忙信號(hào)BUSY組成。播放語(yǔ)音時(shí)，單片機(jī)首先拉底R(shí)ESET位1-5ms，延時(shí)17ms之后，拉底片選信號(hào)CS位，再經(jīng)延時(shí)2ms之后，即由CLK引腳發(fā)送時(shí)鐘脈沖，同時(shí)由DATA數(shù)據(jù)引腳發(fā)送逐位發(fā)送語(yǔ)音地址。當(dāng)?shù)刂窋?shù)據(jù)傳動(dòng)完畢時(shí)，語(yǔ)音芯片將自動(dòng)延時(shí)20ms，之后開(kāi)始播放語(yǔ)音。語(yǔ)音正在播放時(shí)，BUSY忙信號(hào)位將維持低電平。下位機(jī)則通過(guò)監(jiān)測(cè)BUSY引腳的電平高低判別語(yǔ)音是否已經(jīng)播放完畢。

3.4 上位機(jī)程序總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人定位是由上位PC機(jī)及下位單片機(jī)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的，利用PC機(jī)強(qiáng)大的軟、硬件能力，配合單片機(jī)共同來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)游服務(wù)功能。位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理分析，并對(duì)下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人，以射頻識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建虛擬坐標(biāo)系，對(duì)機(jī)器人的方位、運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析和控制，有效克服了以往機(jī)器人循跡運(yùn)動(dòng)方式不可隨意更改路線、靈活性差的缺點(diǎn)，配合語(yǔ)音芯片，能夠穩(wěn)定可靠地完成室內(nèi)導(dǎo)游任務(wù)。

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基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：L2013003；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：X201410140058。

作者簡(jiǎn)介：

尤洪祥（1991-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究。

通信作者：徐攀峰。