王雁平　林佩瑩

摘 要：本文設計了一款用于服務機器人的目標識別，目標跟蹤模塊;它由發(fā)送模塊和接收模塊組成;發(fā)送模塊的任務是發(fā)送一個特征信號，接收模塊通過接收到特征信號來判斷發(fā)送信號的位置，提供運動平臺運動方向信息，從而實現(xiàn)運動平臺對目標的跟蹤。

關鍵詞：機器人;目標跟蹤;目標服務;定時器

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

1 引言

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

在服務行業(yè)，用機器人取代繁瑣的、重復性的勞動，已經(jīng)成為市場的需求;目前世界上至少有48個國家在發(fā)展機器人，其中25個國家已涉足服務型機器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計40余款服務型機器人進入實驗和半商業(yè)化應用在服務機器人領域。

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

在服務機器人研發(fā)中，機器人的運動控制是服務機器人研發(fā)的主要內(nèi)容，其基本的應用模塊有室內(nèi)導航，目標識別，目標跟蹤，運動控制，運動平臺等。

本文設計了一款用于服務機器人的目標識別，目標跟蹤模塊，主要適用于我們試制的一款跟蹤機器人;它由發(fā)送模塊和接收模塊組成;發(fā)送模塊的任務是發(fā)送一個特征信號，接收模塊通過接收到特征信號來判斷發(fā)送信號的位置，提供運動平臺運動方向信息，從而實現(xiàn)運動平臺對目標的跟蹤。

2 特征信號發(fā)生器設計

發(fā)送模塊：發(fā)送模塊安裝在被跟蹤物上，作用是發(fā)送被跟蹤目標的特征信號，是一個特征信號放發(fā)生器;發(fā)送的特征信號有多種選擇;經(jīng)過調(diào)研分析和實驗比較認為使用超聲波發(fā)生器和紅外線發(fā)射管較為合適，這兩種信號的特點是傳輸距離較遠，容易接收，經(jīng)濟性好，對環(huán)境無影響。尤其是紅外調(diào)制信號發(fā)送距離遠，不易受外界環(huán)境影響。

2.1 特征信號發(fā)送電路設計

特征信號發(fā)送電路設計可以采用定時器設計方案和單片機設計方案，下面分別對兩種設計方案進行設計說明。

2.1.1 定時器方案設計

電路如圖1所示：由556雙555定時模塊構成兩個振蕩器，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)動紅外發(fā)光二極管D1，3為限流電阻，選取應保證流過電流在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 單片機設計方案

特征信號發(fā)生器單片機方案選用STC08H04A10單片機作為信號發(fā)生器，它僅有8個引腳，售價不到一元人民幣，卻有很強大的功能，支持在線仿真，RS485和USB下載，內(nèi)部集成一個高精度時鐘（20MHZ可調(diào)）并可對外輸出時鐘及復位;集成了看門狗及復位電路;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IO接口;由于內(nèi)部集成了時鐘和復位電路，特征信號發(fā)生器電路十分簡單，只使用一片STC08H04A10和2只電阻，一個三極管及1只紅外發(fā)射管，電路（略），輸出特征信號與前述555電路一樣。程序也很簡單，不再贅述。

3 目標識別模塊設計

3.1 目標識別模塊的構成

目標識別模塊的主要作用是：搜尋目標，鎖定目標，發(fā)出控制命令到運動控制模塊;目標識別模塊主要由三路紅外接收器，步進電機，碼盤，光電接收器和控制器等組成;掃描控制器與機器人運動平臺控制器用串行接口連接，目標識別模塊輸出運動命令，平臺控制器控制機器人運動。

3.2 目標識別模塊的工作原理

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;中心附近的信號得到放大加強，其他頻率的信號衰減，因此有良好的抗干擾能力。輸出端接到單片機的IO接口。為了能夠快速準確的確定目標的方位，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，安裝在步進電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)云臺，示意圖參見圖2。

跟蹤過程描述如下：機器人首先要搜索機器人的位置;第一步，尋找目標;控制器驅(qū)動步進電機進行360度掃描搜尋目標，掃描到特征信號后轉(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，最右側傳感器接收到特征信號，繼續(xù)向右掃描，直至左中右三個當左側傳感器都接受到信號;就鎖定了目標;第三步，跟蹤目標;驅(qū)動機器人的運動平臺，向目標進發(fā);在駛向目標的過程中，不斷重復第二步核第三步，保證不丟失目標，同時通過運動平臺的傳感器探測運動路線上是否有障礙，距離障礙300mm時，機器人開始轉(zhuǎn)向?qū)ふ倚碌穆窂剑荛_障礙;新的路徑找到后，從第一步開始重新尋找目標，重復上述過程。掃描程序框圖圖3;控制電路設計及掃描程序設計將在另文介紹。

4 結束語

上述設計方案的特點是：（1）探測距離遠，可以在15米半徑內(nèi)可靠搜尋到目標;（2）電路簡單，可靠性高，電路成本也很低，易于上手制作;（3）可以作為機器人教學實驗設備;（4）實用性強，盡管系統(tǒng)較簡單，功能很實用，可以用于室內(nèi)服務機器人，例如餐廳服務，送餐，結算，顧客引導，商場導購，病房服務等方面都有廣泛應用。

參考文獻：

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