王雁平　林佩瑩

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款用于服務(wù)機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別，目標(biāo)跟蹤模塊;它由發(fā)送模塊和接收模塊組成;發(fā)送模塊的任務(wù)是發(fā)送一個(gè)特征信號(hào)，接收模塊通過接收到特征信號(hào)來判斷發(fā)送信號(hào)的位置，提供運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向信息，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;目標(biāo)跟蹤;目標(biāo)服務(wù);定時(shí)器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.083

1 引言

隨著科技技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人逐漸走進(jìn)人們的生活并逐步普及。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)年輕成員，按其服務(wù)領(lǐng)域劃分可以分為專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人/家庭服務(wù)機(jī)器人，發(fā)達(dá)國家都非常重視服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，投重金研發(fā);現(xiàn)在，這些機(jī)器人均處于不同程度的產(chǎn)業(yè)化階段，有光明的前景。

在服務(wù)行業(yè)，用機(jī)器人取代繁瑣的、重復(fù)性的勞動(dòng)，已經(jīng)成為市場的需求;目前世界上至少有48個(gè)國家在發(fā)展機(jī)器人，其中25個(gè)國家已涉足服務(wù)型機(jī)器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計(jì)40余款服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和半商業(yè)化應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域。

據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟IFR最新統(tǒng)計(jì)，全球服務(wù)機(jī)器人市場總值正以20%—30%的速度增長。據(jù)MarketsandMarkets預(yù)測，2012年-2017年全球服務(wù)機(jī)器人市場規(guī)模年復(fù)合增長率約17.4%，2017年將達(dá)461.8億美元。服務(wù)機(jī)器人有望成為機(jī)器人領(lǐng)域最具潛力的增長點(diǎn)之一，參見表1。我國服務(wù)機(jī)器人尚處于研制測試階段，形成產(chǎn)品或量產(chǎn)的服務(wù)機(jī)器人品種單一，技術(shù)水平較低;根據(jù)《中國制造2025》戰(zhàn)略任務(wù)要求，統(tǒng)籌布局和推動(dòng)智能交通工具、服務(wù)機(jī)器人、智能家電、智能照明設(shè)備和可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。機(jī)器人方面，圍繞特種機(jī)器人、醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂、迎賓機(jī)器人、餐飲機(jī)器人等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大市場應(yīng)用，已經(jīng)成為相關(guān)工程技術(shù)人員的重要公關(guān)方向。

在服務(wù)機(jī)器人研發(fā)中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是服務(wù)機(jī)器人研發(fā)的主要內(nèi)容，其基本的應(yīng)用模塊有室內(nèi)導(dǎo)航，目標(biāo)識(shí)別，目標(biāo)跟蹤，運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等。

本文設(shè)計(jì)了一款用于服務(wù)機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別，目標(biāo)跟蹤模塊，主要適用于我們?cè)囍频囊豢罡櫃C(jī)器人;它由發(fā)送模塊和接收模塊組成;發(fā)送模塊的任務(wù)是發(fā)送一個(gè)特征信號(hào)，接收模塊通過接收到特征信號(hào)來判斷發(fā)送信號(hào)的位置，提供運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向信息，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

2 特征信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

發(fā)送模塊：發(fā)送模塊安裝在被跟蹤物上，作用是發(fā)送被跟蹤目標(biāo)的特征信號(hào)，是一個(gè)特征信號(hào)放發(fā)生器;發(fā)送的特征信號(hào)有多種選擇;經(jīng)過調(diào)研分析和實(shí)驗(yàn)比較認(rèn)為使用超聲波發(fā)生器和紅外線發(fā)射管較為合適，這兩種信號(hào)的特點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn)，容易接收，經(jīng)濟(jì)性好，對(duì)環(huán)境無影響。尤其是紅外調(diào)制信號(hào)發(fā)送距離遠(yuǎn)，不易受外界環(huán)境影響。

2.1 特征信號(hào)發(fā)送電路設(shè)計(jì)

特征信號(hào)發(fā)送電路設(shè)計(jì)可以采用定時(shí)器設(shè)計(jì)方案和單片機(jī)設(shè)計(jì)方案，下面分別對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

2.1.1 定時(shí)器方案設(shè)計(jì)

電路如圖1所示：由556雙555定時(shí)模塊構(gòu)成兩個(gè)振蕩器，其中U1的振蕩頻率為40kHz，參選擇為R1=1.8k;R2=1.8k;C1=0.01uF;C2=0.01uF;輸出直接驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管D1，3為限流電阻，選取應(yīng)保證流過電流在30-100mA;保證發(fā)送距離（接收器能夠接收到的）大于5m，限流電阻值選大一些為好。我們實(shí)選27歐，電流大約40mA。U2的振蕩頻率為1Hz，R5=72k;R6=72k;C5=10uF;C6=0.1uF;輸出連到U1的控制端，U2的輸出低電平時(shí)間UQ輸出38kHz的調(diào)制脈沖，輸出占空比為1：1。

2.1.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)方案

特征信號(hào)發(fā)生器單片機(jī)方案選用STC08H04A10單片機(jī)作為信號(hào)發(fā)生器，它僅有8個(gè)引腳，售價(jià)不到一元人民幣，卻有很強(qiáng)大的功能，支持在線仿真，RS485和USB下載，內(nèi)部集成一個(gè)高精度時(shí)鐘（20MHZ可調(diào)）并可對(duì)外輸出時(shí)鐘及復(fù)位;集成了看門狗及復(fù)位電路;電源電壓檢測電路，I2C，SPI串行總線接口，最多能夠直接使用5個(gè)IO接口;由于內(nèi)部集成了時(shí)鐘和復(fù)位電路，特征信號(hào)發(fā)生器電路十分簡單，只使用一片STC08H04A10和2只電阻，一個(gè)三極管及1只紅外發(fā)射管，電路（略），輸出特征信號(hào)與前述555電路一樣。程序也很簡單，不再贅述。

3 目標(biāo)識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

3.1 目標(biāo)識(shí)別模塊的構(gòu)成

目標(biāo)識(shí)別模塊的主要作用是：搜尋目標(biāo)，鎖定目標(biāo)，發(fā)出控制命令到運(yùn)動(dòng)控制模塊;目標(biāo)識(shí)別模塊主要由三路紅外接收器，步進(jìn)電機(jī)，碼盤，光電接收器和控制器等組成;掃描控制器與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器用串行接口連接，目標(biāo)識(shí)別模塊輸出運(yùn)動(dòng)命令，平臺(tái)控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

3.2 目標(biāo)識(shí)別模塊的工作原理

紅外接收傳感器選用三端集成紅外接收器，它的內(nèi)部電路有前置放大器，諧振放大器輸出緩沖器組成;諧振放大器的諧振中心頻率為40kHz;中心附近的信號(hào)得到放大加強(qiáng)，其他頻率的信號(hào)衰減，因此有良好的抗干擾能力。輸出端接到單片機(jī)的IO接口。為了能夠快速準(zhǔn)確的確定目標(biāo)的方位，我們使用了三組紅外接收器：左接收器，右接收器和中心接收器，安裝在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，示意圖參見圖2。

跟蹤過程描述如下：機(jī)器人首先要搜索機(jī)器人的位置;第一步，尋找目標(biāo);控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行360度掃描搜尋目標(biāo)，掃描到特征信號(hào)后轉(zhuǎn)為小角度左右掃描，范圍為±10度。第二步，索定方向;如果向右掃描，最右側(cè)傳感器接收到特征信號(hào)，繼續(xù)向右掃描，直至左中右三個(gè)當(dāng)左側(cè)傳感器都接受到信號(hào);就鎖定了目標(biāo);第三步，跟蹤目標(biāo);驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，向目標(biāo)進(jìn)發(fā);在駛向目標(biāo)的過程中，不斷重復(fù)第二步核第三步，保證不丟失目標(biāo)，同時(shí)通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傳感器探測運(yùn)動(dòng)路線上是否有障礙，距離障礙300mm時(shí)，機(jī)器人開始轉(zhuǎn)向?qū)ふ倚碌穆窂?，避開障礙;新的路徑找到后，從第一步開始重新尋找目標(biāo)，重復(fù)上述過程。掃描程序框圖圖3;控制電路設(shè)計(jì)及掃描程序設(shè)計(jì)將在另文介紹。

4 結(jié)束語

上述設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)是：（1）探測距離遠(yuǎn)，可以在15米半徑內(nèi)可靠搜尋到目標(biāo);（2）電路簡單，可靠性高，電路成本也很低，易于上手制作;（3）可以作為機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備;（4）實(shí)用性強(qiáng)，盡管系統(tǒng)較簡單，功能很實(shí)用，可以用于室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，例如餐廳服務(wù)，送餐，結(jié)算，顧客引導(dǎo)，商場導(dǎo)購，病房服務(wù)等方面都有廣泛應(yīng)用。

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