熊 英 黃亞輝 石英春湖南信息職業(yè)技術(shù)學院電子工程系 湖南長沙 410200

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智能家居機器人仿真教學平臺的研究與實現(xiàn)

熊 英 黃亞輝 石英春
湖南信息職業(yè)技術(shù)學院電子工程系 湖南長沙 410200

摘 要：經(jīng)過充分調(diào)研，根據(jù)我國大多數(shù)智能家居機器人的特點設計了典型的家居機器人模型，開發(fā)成功了智能家居機器人仿真教學培訓系統(tǒng)，為學生提供了一個接近于真實環(huán)境更有利于教學培訓的平臺。該平臺應用之后取得了優(yōu)異的成績。

關(guān)鍵詞：智能家居機器人；仿真；教學平臺

智能家居機器人是服務機器人的一種，服務機器人是一種半自主或者全自動的移動機器人，主要從事非生產(chǎn)類的活動，它能幫助人們省時省力地完成服務工作。目前，在發(fā)達國家里，智能清潔機器人已經(jīng)被廣泛地用于家庭、辦公室、機場等室內(nèi)的清掃，節(jié)省了大量的勞動力和時間［1］。國內(nèi)的機器人學習，由于傳統(tǒng)實驗室的實驗成本與場所的限制，存在以下不足。（1）學生不易見到真正的應用型機器人，特別是一些服務機器人的應急操作在日常生產(chǎn)中很少出現(xiàn)，而這些對學生而言恰恰是非常重要的。（2）學員動手操作機會少，更談不上操作練習，學生難于學會操作技巧。（3）學員看不到操作與相關(guān)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，難于建立理論與實踐之間的聯(lián)系。仿真教學能有效地彌補以上不足［1，2］。

組建智能家居機器人創(chuàng)新性教學平臺能為高等院校的學生和教師提供一個綜合的專業(yè)機器人教育和研究平臺，能通過系統(tǒng)的方法對實踐教學內(nèi)容、方法和手段進行創(chuàng)新，進而引導學生進行單片機和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測技術(shù)與傳感器等課程進行融會和貫通。鼓勵學生利用學科交叉的知識，打破孤立的知識體系，不同專業(yè)學生組成團隊，進行多學科綜合性的創(chuàng)新性設計和驗證。

目前，計算機和網(wǎng)絡技術(shù)廣泛普及，為仿真教學提供了良好的條件。經(jīng)過充分的調(diào)研，根據(jù)我國大多智能家居機器人的特點設計了典型的機器人模型，成功開發(fā)了智能家居機器人仿真教學培訓系統(tǒng)，為學生提供了一個接近于現(xiàn)場更有利于教學培訓的平臺。

1　系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

從機器的系統(tǒng)來看，分為嵌入式控制器系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)、嵌入式控制系列主要負責大量運算和圖像視覺處理的支持和顯示，相當于一個微型計算機控制器。

圖1　機器人控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)比較底層，主要用來控制傳感器和電機驅(qū)動電路，驅(qū)動電機電路主要用來控制機器人運動，傳感器系統(tǒng)用來感知當前環(huán)境，這是一個完善的智能閉合控制，可以增加更多的傳感器，使機器人更加智能化，從服務機器人的功能角度來看，本服務機器人模擬了人的機器人的視覺系統(tǒng)、機器人觸覺系統(tǒng)、機器人聽覺系統(tǒng)、還具有較強的人機交互。

2　硬件控制系統(tǒng)的設計

智能家居機器人控制系統(tǒng)的硬件電路由以下基本單元組成［2］。

圖2　智能家居機器人控制系統(tǒng)組成

電源電路：本控制板的電源系統(tǒng)比較簡潔，直接采用外部電源6 V～9 V供電，通過了降壓芯片產(chǎn)生整個系統(tǒng)所需的兩種電壓：3.3 V，5 V電壓，如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)板電源電路

底層控制電路：底層控制電路由嵌入式控制電路部分和底層驅(qū)動控制部分組成，嵌入式控制電路部分主要負責跑操作系統(tǒng)和驅(qū)動液晶顯示和嵌入式攝像頭等USB設備，相當于一個微型的計算機系統(tǒng)，底層驅(qū)動電路部分主要是由單片機控制器和傳感器電路組成，起到傳感器的控制和邏輯判斷和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動等功能，底層控制板電路如圖4所示。

傳感器電路：傳感器電路主要包括了RIR人體熱釋電模塊接口電路，IR Control紅外測距模塊，語音識別模塊電路，超聲波模塊電路接口電路，這里包括的傳感器都為成熟的模塊（如圖5所示）。

本次用于仿真教學的智能家居機器人，其控制系統(tǒng)硬件主板外觀如圖6所示［3］。

圖4　底層控制系統(tǒng)板電路

圖5　傳感器接口電路

圖6　智能家居機器人硬件主板外觀

3　應用軟件的開發(fā)

智能家居機器嵌入式軟件系統(tǒng)是基于Raspbian Linux發(fā)行版本開發(fā)的，用戶可以在登錄后手動啟動桌面環(huán)境。

圖7　Raspbian啟動示意圖

當用戶成功登錄后，看到的仍然是無趣的命令提示符，輸入指令可以啟動Linux桌面環(huán)境，稍后控制系統(tǒng)板的顯示屏上會展現(xiàn)一個具有美麗背景的桌面，如圖8所示。

圖8　智能控制系統(tǒng)顯示桌面

本控制系統(tǒng)采用python語言作為軟件的開發(fā)語言，其代碼非常清晰，安裝和設置運行環(huán)境容易。尤其可以在網(wǎng)絡上一起分享代碼或共同分析、解決問題，方便學生學習。

以語音識別模塊與機器人動作控制程序設計為例，基于語音識別模塊控制機器人動作時，首先需要通過語音配置上位機，把需要的關(guān)鍵字讓語音識別模塊能夠認識。一旦發(fā)出匹配的語音，語音識別模塊就會通過串口發(fā)出4個字節(jié)的匹配地址命令，底層控制板接收到4個字節(jié)的匹配信息后，來做判斷，該執(zhí)行什么樣的動作。

4　交互模塊整體軟硬件調(diào)試結(jié)果

由于智能家居機器人系統(tǒng)較為龐大，且各個模塊都是一個獨立的系統(tǒng)，它們之間通過總線方式進行通訊，這樣要完成的硬件和軟件設計環(huán)節(jié)就比較多，如底層控制板、語音識別模塊以及嵌入式控制板需要硬件設計和下載程序，在對某一個模塊實施調(diào)試時，可以斷開其他模塊，從而避免操作不當損壞了其他的模塊［4，5］。

本文以測試系統(tǒng)的傳感器為例。本系統(tǒng)通過無線藍牙鍵盤模塊，輸入數(shù)字區(qū)鍵1～9，來進行功能的測試，標配的控制器中無線鍵盤鼠標是一體的，由USB接口的接收器接收［6］。軟件調(diào)試界面如圖9所示。

圖9　嵌入式控制板中傳感器測試界面

底層控制板程序流程圖如圖10所示 。

圖10　底層控制板程序流程圖

通過了多個模塊的集體測試，對于傳感器的測試數(shù)據(jù)，是最基本的操作，如果還要搭建復雜的功能，那么對應傳感器的思路算法要更優(yōu)越，不然還會出現(xiàn)互相干擾，或者一個傳感器不穩(wěn)定影響整個系統(tǒng)。特別注意，在編寫程序和調(diào)試的時，要保證接線的正確性和不松動。因此可以先單個傳感器進行測試，然后逐步聯(lián)合起來，從而更加容易發(fā)現(xiàn)問題來自哪個環(huán)節(jié)［7，8］。

嵌入式控制板程序流程圖如圖11所示。

圖11　嵌入式控制板程序流程圖

5　應用效果

機器人仿真教學培訓系統(tǒng)建成以來，已經(jīng)多次應用于我校的本科教學以及對外校的教學服務，還承擔了繼續(xù)教育學院的部分培訓工作。根據(jù)每次使用中所發(fā)現(xiàn)的問題進行了相應的改進，并且開發(fā)了新的功能。在實驗課上，學生們一致認為該系統(tǒng)真實、直觀地反映了現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)的實質(zhì)內(nèi)容。

以此仿真教學平臺為依托，學院歷屆參加的機器人類競賽項目獲得省二等獎以上110余項，取得了優(yōu)異成績，逐漸形成了以機器人競賽為代表的品牌競賽項目。2007-2010年，中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽、中國水中機器人大賽、全國職業(yè)院校技能競賽機器人技術(shù)、黃炎培職業(yè)教育獎創(chuàng)業(yè)大賽等項目，一、二等獎54人次。2011年4月，湖南省職業(yè)院校技能競賽機器人技術(shù)應用項目，獲省一、二名，獲獎學生6人次。2011年6月，全國職業(yè)院校技能競賽機器人技術(shù)應用項目，獲全國一等獎第一名和三等獎，獲獎學生6人次。2012年4月，湖南省職業(yè)院校技能競賽機器人技術(shù)應用項目，獲省一、二名，獲獎學生6人次。2012年6月，全國職業(yè)院校技能競賽機器人技術(shù)應用項目，獲全國二等獎2項，獲獎學生6人次。2012年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎1項，一等獎2項，獲獎學生9人次。2013年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎2項，一等獎2項，獲獎學生12人次。2014 年11月，中國教育機器人大賽，獲全國特等獎3項，二等獎1項，獲獎學生12人次。

此外學院還承辦中國教育機器人教練員培訓（中高職）和國家級教師下企業(yè)培訓（高職）。2013年8月10～21日，承辦中國教育機器人競賽湖南地區(qū)第一屆教練員培訓；2013年11月10～20日，承辦中國教育機器人競賽湖南地區(qū)第二屆教練員培訓。2014年7月14日至8月30日，承辦國家教育部職業(yè)院校骨干教師國家級培訓項目——高職電子信息工程技術(shù)專業(yè)教師下企業(yè)培訓項目（工業(yè)機器人技術(shù)應用），合作企業(yè)：長沙長泰機器人公司、湖南科瑞特科技股份有限公司［9，10］。

6　結(jié)束語

家居機器人仿真教學系統(tǒng)受到了教師和學生的普遍歡迎，近年來這套仿真教學系統(tǒng)已成功向多家高校轉(zhuǎn)讓。隨著科學技術(shù)的進步，仿真教學的手段也將不斷地發(fā)展，它的應用領域?qū)⒂訌V泛，它的安全、高效的優(yōu)勢將在機器人行業(yè)中發(fā)揮重大的作用。

參考文獻

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Design and Implementation of the Simulation Teaching System of Smart Home Robot

Xiong Ying， Huang Yahui， Shi Yingchun
Departiment of Engineering ， Hunan College of Information， Changsha， 410200， China

Abstract:After full investigation and according to the characteristics of most of the smart home robots ， a typical home robot model was designed and then a simulation training system was developed in teaching， which was close to the real working condition and provided students with a practice platform.

Key words:smart home robot； simulation； training system

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：熊英，碩士，助教。黃亞輝，本科，助教。

基金項目：2014年度湖南省高等學校科學研究項目“語音交互式智能家居清潔機器人仿真平臺的研究”（編號：14C0827）。