許 鑫 潘崢嶸 張 寧

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

隨著社會(huì)的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人已經(jīng)逐漸進(jìn)入到日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域，比如清潔、醫(yī)療、導(dǎo)游等［1］。特別是在公共服務(wù)場(chǎng)所，研究導(dǎo)覽機(jī)器人有重大理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前公共服務(wù)場(chǎng)所的導(dǎo)覽工作主要由人工服務(wù)，工作效率低，人力資源消耗大。在展覽館、博物館等需要引導(dǎo)人們參觀，給人們講解內(nèi)容的公共服務(wù)場(chǎng)所，導(dǎo)覽機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的已經(jīng)相當(dāng)成熟的工業(yè)機(jī)器人相比較，導(dǎo)覽機(jī)器人因更加貼近人們?nèi)粘Ｉ睿?］。導(dǎo)覽機(jī)器人能夠代替或輔助人工做咨詢、導(dǎo)覽等工作，實(shí)現(xiàn)人力向高端工作的轉(zhuǎn)移，做到機(jī)器人以人為本。

考慮到應(yīng)用于博物館、科技館等公共服務(wù)場(chǎng)所，人流量大，光線不確定，采用攝像頭導(dǎo)航的方式受影響較大；而采用激光雷達(dá)進(jìn)行地圖構(gòu)建也受人流影響。綜上所述，對(duì)導(dǎo)覽機(jī)器人的導(dǎo)航方式采用磁導(dǎo)航。磁導(dǎo)航不會(huì)受到光線、人群等影響，抗干擾能力相對(duì)于其他導(dǎo)航方式優(yōu)異，而且穩(wěn)定性和可靠性良好，適合上述場(chǎng)所的導(dǎo)覽工作［3］。

導(dǎo)覽機(jī)器人在工作時(shí)全程需要語音交互，本設(shè)計(jì)擬采用科大訊飛語音交互模塊。科大訊飛語音交互技術(shù)比較成熟，適合導(dǎo)覽工作中頻繁的語音交互和語音講解工作，同時(shí)針對(duì)一些特殊展館，有保密要求的情況，同時(shí)也采用離線語音模塊。

2 導(dǎo)覽機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)覽機(jī)器人采用六輪結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，中間兩輪為導(dǎo)覽機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪，與之相連的為直流無刷電機(jī)，四個(gè)萬向輪以兩輪一組分別位于前后。這種六輪結(jié)構(gòu)不僅滿足了導(dǎo)覽機(jī)器人本身的承重能力，而且加強(qiáng)了穩(wěn)定性和靈活性。在底盤上安裝有磁導(dǎo)航傳感器、RFID 標(biāo)簽閱讀器、超聲波傳感器以及無刷直流電機(jī)。磁導(dǎo)航傳感器位于導(dǎo)覽機(jī)器人行進(jìn)方向上的前端，與前方的兩個(gè)萬向輪平齊。RFID 標(biāo)簽閱讀器位于磁導(dǎo)航傳感器與驅(qū)動(dòng)輪之間的位置。綜合考量后，采用這種六輪底盤的設(shè)計(jì)［4～5］。

圖1 底盤結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器的選用

該導(dǎo)覽機(jī)器人采用的磁導(dǎo)航傳感器模塊型號(hào)為AGS-08N，此傳感器集合了高靈敏度半導(dǎo)體霍爾傳感器，工業(yè)級(jí)三防設(shè)計(jì)，寬電壓、低功耗，并且兼容多種同規(guī)格產(chǎn)品。其識(shí)別范圍在距離磁帶垂直距離20mm～40mm，共有8 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，間距為10mm。設(shè)計(jì)的導(dǎo)覽軌跡磁帶寬度為30mm，所以其優(yōu)點(diǎn)和良好的產(chǎn)品特性滿足導(dǎo)覽機(jī)器人工作的基本要求。綜合考慮美觀與實(shí)用性，采用30mm 寬的N 極磁條。根據(jù)場(chǎng)館的講解路線和距離展覽物的距離，設(shè)計(jì)出磁帶的鋪設(shè)方式，確保磁帶之間沒有干擾，盡量單向鋪設(shè)磁帶，避免磁帶并行或交叉。

避障模塊采用的方案是超聲波，超聲波相比較于激光雷達(dá)、紅外等避障傳感器，具有性價(jià)比高，無光等優(yōu)勢(shì)。本文采用3 個(gè)超聲波模塊集合為一組，有120°的檢測(cè)范圍，使用三組超聲波模塊來實(shí)現(xiàn)360°范圍的監(jiān)測(cè)。每組傳感器都有三檔距離檢測(cè)和四種工作狀態(tài)。傳感器同樣采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，采用寬電壓、低功耗的方案。其多種工作狀態(tài)能夠滿足導(dǎo)覽機(jī)器人在工作中時(shí)對(duì)不同距離反應(yīng)不同工作狀態(tài)的要求［6］。

由于導(dǎo)覽機(jī)器人應(yīng)用于科技館、博物館等場(chǎng)所，面向的對(duì)象會(huì)有許多兒童，所以在導(dǎo)覽工作時(shí)除了必要的講解工作之外，也同時(shí)要具備一定的趣味性互動(dòng)，寓教于樂更能體現(xiàn)替代人工服務(wù)的優(yōu)勢(shì)。語音交互方面擬采用科大訊飛的語音技術(shù)，使用科大訊飛的語音交互模塊（帶有WiFi 模塊），全程聯(lián)網(wǎng)，通過云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的語音交互。所使用的離線語音模塊通過自建本地庫來完成講解工作的語音需求（斷網(wǎng)狀態(tài)下）。

為防止實(shí)際應(yīng)用時(shí)磁帶對(duì)電子羅盤產(chǎn)生的影響，故姿態(tài)確定采用MPU6050 模塊采集數(shù)據(jù)并計(jì)算出導(dǎo)覽機(jī)器人的角度位置，確定導(dǎo)覽機(jī)器人前進(jìn)的方向，以便及時(shí)調(diào)整。通過光電編碼器計(jì)算當(dāng)前導(dǎo)覽機(jī)器人的速度，將速度值反饋給主控制器，進(jìn)行對(duì)導(dǎo)覽機(jī)器人速度的控制［7～8］。

3.2 主控器的選用與標(biāo)簽的使用

綜合成本與實(shí)用性的考慮，導(dǎo)覽機(jī)器人擬采用以STM32F407VET6 為核心的控制器，STM32F407 VET6 工作頻率達(dá)168MHz，有豐富的IO 接口，USART 串口，IIC、CAN 等總線資源，無論是對(duì)現(xiàn)有的導(dǎo)覽機(jī)器人進(jìn)行控制，還是今后對(duì)其升級(jí)，其所具有的資源完全滿足。

RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)攜帶有三種信息，分別為轉(zhuǎn)彎信息、站點(diǎn)信息、減速信息。轉(zhuǎn)彎信息分為左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，當(dāng)RFID閱讀器讀取到轉(zhuǎn)彎信息時(shí)，導(dǎo)覽機(jī)器人就會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作（左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)），然后再繼續(xù)循磁運(yùn)動(dòng)；站點(diǎn)信息就是在需要講解的地方設(shè)置一個(gè)標(biāo)簽，讀取到這個(gè)標(biāo)簽時(shí)導(dǎo)覽機(jī)器人會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，對(duì)展覽物進(jìn)行講解，或者是起點(diǎn)終點(diǎn)的標(biāo)志；減速信息指的是為了保證能準(zhǔn)確讀取到站點(diǎn)信息標(biāo)簽而設(shè)置的，降低機(jī)器人的運(yùn)行速度，保證其準(zhǔn)確識(shí)別到站點(diǎn)信息［9～10］。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 初始化

當(dāng)導(dǎo)覽機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)是否有磁條，識(shí)別讀取RFID 標(biāo)簽。在起點(diǎn)處會(huì)設(shè)置一個(gè)起點(diǎn)標(biāo)簽，讀取到標(biāo)簽后導(dǎo)覽機(jī)器人會(huì)有一個(gè)語音初始化，延時(shí)3s后開始工作［11］。

4.2 運(yùn)動(dòng)行為

運(yùn)動(dòng)行為有以下幾種情況：

1）直奔目標(biāo)行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，傳感器檢測(cè)到前方無任何障礙物阻擋，那么可以直奔目標(biāo)運(yùn)行。

圖2 初始化流程圖

2）直接避障行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，傳感器檢測(cè)到前方有障礙物，為了避免發(fā)生碰撞，減速慢行直至停下等到障礙物離開后繼續(xù)運(yùn)行；

3）緊急避障行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物距離導(dǎo)覽機(jī)器人非常近時(shí)，立刻停止運(yùn)動(dòng)，直到障礙物離開后繼續(xù)運(yùn)行；

4）轉(zhuǎn)彎行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，讀取到RFID 標(biāo)簽中轉(zhuǎn)彎的信息時(shí)，會(huì)根據(jù)標(biāo)簽中的信息作出左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的行為；

5）駐停行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，讀取到RFID 標(biāo)簽中站點(diǎn)信息時(shí)，會(huì)立刻停下，開始語音講解展覽物，講解完畢后再繼續(xù)運(yùn)行［12］。

4.3 RFID標(biāo)簽的識(shí)別

RFID 閱讀器是在導(dǎo)覽機(jī)器人初始化后立刻進(jìn)行工作的，如圖3 所示，檢測(cè)是否讀取到標(biāo)簽信息，比如起點(diǎn)的站點(diǎn)信息標(biāo)簽。

圖3 RFID標(biāo)簽讀取流程圖

4.4 語音交互

語音交互以科大訊飛的模塊為主，通過WiFi全程聯(lián)網(wǎng)。達(dá)到實(shí)時(shí)語音交互的目的。同時(shí)也采用了離線語音模塊作為無網(wǎng)絡(luò)條件下的講解。其系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 語音及交互流程圖

在被“叮咚叮咚”（可自定義喚醒詞）的語音命令激活后，可以與參觀人員等進(jìn)行語音互動(dòng)，此過程中需要全程聯(lián)網(wǎng)。語音的識(shí)別與交互不僅僅針對(duì)普通話，也支持一些方言，極大地豐富了導(dǎo)覽工作。在檢測(cè)到地面上帶有講解信息的RFID 標(biāo)簽后，啟動(dòng)本地離線語音庫，進(jìn)行對(duì)展覽物的講解。

4.5 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，經(jīng)典PID 控制的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且廣泛應(yīng)用，但其系統(tǒng)也有局限，比如超調(diào)量大和魯棒性差等現(xiàn)象?；谀：刂频腜ID 會(huì)根據(jù)設(shè)定好的模糊規(guī)則自行調(diào)整。

將偏差e 和偏差的變化率Δe 作為參數(shù)，對(duì)PID控制的三個(gè)參數(shù)比例增益P、積分增益I、微分增益D進(jìn)行模糊自整定。

其中，Kp、Ki、Kd與模糊輸出量 ΔKp、ΔKi、ΔKd的關(guān)系如下表示：

當(dāng)e 較大時(shí)，需要加大Kp以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但不得過大，否則系統(tǒng)不穩(wěn)定；取較小值Kd避免系統(tǒng)開始時(shí)引起超范圍控制。當(dāng)e 中等時(shí)，取較小的Kp使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)略小一點(diǎn)。當(dāng)e 較小時(shí)，可取較大的Kp、Ki以使系統(tǒng)穩(wěn)定，恰當(dāng)取值Kd以防止系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近震蕩［13～14］。

本設(shè)計(jì)采用的模糊控制器輸入量有2 個(gè)，輸出量有1 個(gè)，遂采用雙輸入單輸出Mamdani 型模糊控制器。設(shè)定e 及Δe 的基本論域均為［-6 6］，ΔKp、ΔKi、ΔKd均為［-6 6］，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和查閱資料所得專家經(jīng)驗(yàn)，確定模糊規(guī)則［15］，經(jīng)過Matlab 仿真得出推理圖如圖5～7所示。

圖5 Δ Kp 推理圖

圖6 Δ Ki 推理圖

圖7 Δ Kd 推理圖

再根據(jù)之前設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則通過Simulink 設(shè)計(jì)出Fuzzy Logic Controller 模糊控制器，仿真圖如圖8所示。

圖8 模糊控制器仿真圖

5 實(shí)驗(yàn)仿真

將經(jīng)過模糊規(guī)則整定后的參數(shù)輸入PID 中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Simulink仿真圖，如圖9所示。

該仿真圖對(duì)比經(jīng)典PID 控制與模糊PID 控制得出仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 仿真結(jié)果曲線圖

從仿真結(jié)果來看，PID 控制雖然能夠在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡點(diǎn)，但其震蕩幅度過大，震蕩次數(shù)多，模糊PID 雖然調(diào)整時(shí)間稍長(zhǎng)一點(diǎn)，但是整體穩(wěn)定性好。結(jié)合實(shí)際需要——在導(dǎo)覽的場(chǎng)館中，對(duì)導(dǎo)覽機(jī)器人調(diào)整的速度要求不是很高，但對(duì)其穩(wěn)定性要求比較高，防止導(dǎo)覽機(jī)器人因調(diào)整速度和姿態(tài)對(duì)參觀人員造成不利影響，故采用模糊PID 更適合在人多的場(chǎng)館之中，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果具有建設(shè)性。

6 結(jié)語

本文采用傳統(tǒng)磁導(dǎo)航技術(shù)與RFID 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種在科技館、博物館等公共服務(wù)場(chǎng)所替代人工講解服務(wù)的導(dǎo)覽機(jī)器人。該導(dǎo)覽機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分使用傳統(tǒng)磁導(dǎo)航技術(shù)，通過成熟的磁導(dǎo)航傳感器，配合超聲波等其他傳感器，實(shí)現(xiàn)了在場(chǎng)館內(nèi)的導(dǎo)覽運(yùn)行。采用RFID 技術(shù)，對(duì)需要講解的展覽物進(jìn)行精確定位識(shí)別。通過對(duì)比經(jīng)典PID控制與基于模糊控制的PID 控制，針對(duì)場(chǎng)景需要和服務(wù)需求，因地制宜地選擇合適方案。同時(shí)，結(jié)合語音交互技術(shù)，不僅能完成講解這一基本功能，還可以有效地與人們互動(dòng)，增強(qiáng)趣味性與實(shí)用性。

該實(shí)驗(yàn)尚有不足之處，還可以再豐富數(shù)據(jù)以確定更好的模糊規(guī)則，在PID 的初始參數(shù)設(shè)定和模型確定上亦可再繼續(xù)研究，可得出更好的方案。