陳智拓，張 軍，高 輝，紀 峰，王 標，李紅莉

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

目前中國社會人口老齡化趨勢日漸嚴重，而且空巢老人數(shù)量不斷增加，“智慧養(yǎng)老”已成為社會普遍關(guān)注的熱點問題［1-4］。這一概念的普遍認知基本圍繞在“面對以居家型、社區(qū)型和機構(gòu)型”為養(yǎng)老模式的老年人，利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備等先進技術(shù)與設(shè)備，為其提供實時、快捷、高效、低成本的養(yǎng)老。其中機器人陪伴服務(wù)是一種有效的形式。

在家用服務(wù)機器人方面，眾多發(fā)達國家處于領(lǐng)先地位，如老年陪護機器人“帕羅”、Roomba 系列吸塵器機器人等。國內(nèi)服務(wù)類機器人中具有代表性的是科沃斯掃地機器人。但總體來看，市場上專一功能的機器人產(chǎn)品較多且價格較昂貴，尚缺乏物美價廉的“陪伴”和“關(guān)愛”型機器人產(chǎn)品。本文提出一種實用的家庭陪伴機器人設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)方案

基于NI myRIO具有豐富的板載硬件I/O、無縫的軟件開發(fā)體驗以及完善的配套資源，有助于快速開發(fā)完整的嵌入式工程項目，非常適用于控制、機器人、機電一體化及嵌入式設(shè)計的教學(xué)和創(chuàng)新實踐活動［5-6］。相較于一般單片機，NI myRIO具有更強的大量數(shù)據(jù)信息（音頻視頻信息）處理能力，可靠性高，聯(lián)網(wǎng)方便。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

項目選擇NI myRIO作為家庭機器人的核心控制器，利用人體紅外傳感模塊和攝像監(jiān)控模塊尋找主人；利用超聲波測距模塊實現(xiàn)人機距離檢測，且與電動機驅(qū)動模塊配合實現(xiàn)自動避障、跟隨；利用語音模塊和存儲卡作用實現(xiàn)語音交互功能；電源模塊用于為各模塊供電。發(fā)揮NI myRIO支持WiFi 通信的優(yōu)勢，通過移動終端實現(xiàn)對機器人運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計

圖2 硬件選型

機器人設(shè)計從小巧便攜、經(jīng)濟實用的角度出發(fā)進行硬件選型。硬件選型如圖2 所示。硬件選用人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501 RD-624與藍色妖姬USB攝像頭配合尋找主人，采用超聲波舵機云臺模塊（超聲波模塊HC-SR04 +舵機SG90）和電動機驅(qū)動模塊L298N實現(xiàn)測距和避障，選用語音識別模塊LD3320 識別主人的語音信息。借助iPad作為移動終端進行遠程通信。NI myRIO 與各模塊間的硬件接線關(guān)系如表1 所示。

表1 NI myRIO與各模塊間的硬件接線

3 軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標進行軟件設(shè)計，編制的系統(tǒng)程序流程如圖3 所示。

機器人開機后首先初始化自檢，自檢正常則進入工作狀態(tài)，定時判斷人、機距離，實現(xiàn)自動避障、跟隨，和主人保持友好距離，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置進行日常生活提醒，與主人進行基本的語音交互，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，能主動通信報警，方便家人遠程提供救助。

軟件設(shè)計采用模塊化思想［7］，通過自動跟隨、語音交互、數(shù)據(jù)通信3 大模塊搭建系統(tǒng)程序。

3.1 自動跟隨

家庭機器人最主要的特色就體現(xiàn)在“陪伴”上，機器人首先必須能夠自動跟隨主人并保持友好的距離［8］。設(shè)計中需要實現(xiàn)機器人對主人位置的鎖定，判斷距離，距離過遠時主動跟隨，且在跟隨過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3.1.1 視頻+紅外模式鎖定主人

對于機器人的攝像頭所拍攝到的前方圖像，設(shè)計利用NI Vision Assistant生成識別訓(xùn)練程序，結(jié)合HCSR501 人體紅外感應(yīng)模塊來判別主人是否在視線內(nèi)。

實現(xiàn)過程為：利用NI-Vison-Assistant 軟件對視頻圖像進行預(yù)分析和處理，并導(dǎo)出預(yù)處理程序以進行2次編寫。在視覺助手中，對采集到的一張背影圖，利用Color Plane Extraction 函數(shù)選擇HSL-Luminance Plane功能；再利用Pattern Matching函數(shù)將識別訓(xùn)練模板框設(shè)為雙腿，并設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)；選擇工具欄生成識別訓(xùn)練程序并導(dǎo)入myRIO 中。識別訓(xùn)練模板圖片需要事先借助電腦映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器存入myRIO 中，訪問myRIO 中的圖片保存路徑，雙擊Vision Acquisition Express VI選擇相機，完成模板匹配。Assistant 處理效果如圖4 所示。

結(jié)合人體紅外感應(yīng)模塊的輸入狀態(tài)，可綜合判斷前方是否有人，鎖定主人判別程序如圖5 所示。

圖4 Assistant處理效果圖

圖5 鎖定主人判別程序

3.1.2 超聲波檢測

機器人“看到”主人后，需要進一步判斷與主人的距離，采用超聲波傳感器實現(xiàn)距離檢測［9］，程序如圖6所示。

圖6 超聲波檢測

圖6（a）所示while 循環(huán)用于定時發(fā)出40 kHz 的超聲波并檢測回波信號，圖6（b）所示while 循環(huán)用于檢測超聲波脈沖寬度。超聲波模塊檢測到回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。程序利用計數(shù)器、選擇函數(shù)和移位寄存器配合可測出脈沖寬度［10］。

超聲波測得的距離可由s=340t/2（m）求得，其中s為測得距離（m）；t 為傳播時間（s）。由于實測中傳播時間單位為μs，且考慮超聲波傳感器測距范圍為4.5 m，選取人機距離單位用cm 表示。故通過單位換算后利用公式實現(xiàn)y=0.034x/2（cm），求得實際人機距離，其中y對應(yīng)實際距離，x對應(yīng)傳播時間（μs）。

3.1.3 電動機驅(qū)動

當(dāng)機器人定時檢測發(fā)現(xiàn)人機距離大于50 cm 時，將驅(qū)動小車主動追隨，當(dāng)人機距離人小于30 cm 友好距離時，控制小車停住。但如果機器人視線內(nèi)沒有找到主人，且距離障礙物大于30 cm時，機器人將驅(qū)動小車前行，邊走邊繼續(xù)尋找主人，在行進路程中結(jié)合舵機搖頭功能達到避障的效果。

小車驅(qū)動程序如圖7 所示，利用驅(qū)動輸出控制express VI配合條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

圖7 小車驅(qū)動程序

舵機搖頭控制需要一個20 ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180°伺服為例，對應(yīng)的控制關(guān)系見表2。

表2 時基脈沖與角度控制關(guān)系

舵機搖頭控制程序如圖8 所示，實現(xiàn)功能為：當(dāng)小車遇到距離小于20 cm 的障礙物時，舵機搖頭測量5個方位距離障礙物的距離，構(gòu)成一數(shù)組，然后根據(jù)數(shù)組索引最大值驅(qū)動小車向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)向?？刂菩≤嚽斑M姿態(tài)，有效避開障礙物。

圖8 舵機搖頭控制

3.2 語音交互

家庭機器人的貼心“陪伴”還主要體現(xiàn)在人機語音交互方面。為了實現(xiàn)這一功能，需要創(chuàng)建語音庫，通過對主人的語音識別［11-12］等，根據(jù)需求從語音庫調(diào)取播放相應(yīng)語音。

3.2.1 創(chuàng)建語音庫

為了方便myRIO 調(diào)用音頻文件，需要利用Webbased Distributed Authoring and Versioning（WebDAV）通信協(xié)議將音頻文件傳輸?shù)絤yRIO中，在myRIO中創(chuàng)建語音庫。

借助電腦在myRIO 映射內(nèi)部文件下創(chuàng)建保存語音庫的基路徑，步驟為：

步驟1將電腦與myRIO連接，找到myRIO在電腦中的映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器（Z：）；

步驟2在映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器中輸入myRIO設(shè)備IP（172.22.11.2）；

步驟3利用WebDAV 可以看到myRIO 的內(nèi)部文件（http//172.22.11.2/files）；

步驟4在myRIO 映射內(nèi)部文件下創(chuàng)建/C 基路徑，以方便存放音頻文件。

生成myRIO調(diào)用所需的音頻數(shù)據(jù)文件并保存到語音庫中。myRIO不具備解碼MP3 文件的功能，在錄取音頻的時候需要將聲音信息存儲成數(shù)據(jù)文件（.dat）。利用LabVIEW 中的聲音采集express vi 和路徑創(chuàng)建函數(shù)將所錄制聲音頻數(shù)據(jù)存入電腦files（172.22.11.2DavWWWRoot）（Z：）/C 基路徑下，以方便myRIO映射調(diào)用，如圖9 所示。在聲音采集時，根據(jù)測試將采樣率選取為30～40 kS/s，以減小聲音在myRIO audioout端口輸出時的失真。

圖9 保存音頻數(shù)據(jù)文件

3.2.2 聲音文件的播放

基于myRIO無法直接播放所需調(diào)用的音頻數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)聲音播放，必須對讀取到的音頻數(shù)據(jù)進行拆解再輸出。設(shè)計利用WDT 索引將波形數(shù)據(jù)拆分為兩組數(shù)據(jù)（雙通道采集的聲音），提取出振幅成分，借助myRIO工具包自帶的模擬信號輸出express VI 及for循環(huán)的自動索引功能向myRIO 的audioout 模擬輸出端口提供左右聲道數(shù)據(jù)，如圖10 所示。

圖10 聲音文件的播放

3.2.3 語音交互

語音交互在硬件上體現(xiàn)為實現(xiàn)LD3320 與myRIO的串口通信［13］，即當(dāng)LD3320 識別到相應(yīng)語音后，通過串口告知myRIO 識別結(jié)果，由myRIO 根據(jù)交互需求（如需要說“你好”），選擇播放語音庫中對應(yīng)的音頻文件。在軟件上需要實現(xiàn)串口通信和語音播放的融合。

設(shè)計利用VISA 函數(shù)配置好波特率等通信參數(shù)，根據(jù)約定的通信協(xié)議，通過myRIO的UART端口實現(xiàn)串口通信。通過判斷串口緩沖區(qū)是否接受到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)通過條件結(jié)構(gòu)，再讀取串口數(shù)據(jù)至讀取緩沖區(qū)。串口通信和語音播放功能通過讀取緩沖區(qū)的屬性節(jié)點和條件結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來［14-15］。需播放的音頻文件路徑通過字符串組合函數(shù)獲得，為了避免重復(fù)播放，在語音播放完成后需將讀取緩沖區(qū)清除。實現(xiàn)程序如圖11 所示。

圖11 語音交互

3.3 數(shù)據(jù)通信

為方便家人遠程監(jiān)控家中情況，以及實現(xiàn)機器人發(fā)現(xiàn)主人出現(xiàn)異常情況時主動通信求助，需要設(shè)計實現(xiàn)機器人控制核心myRIO 與PC 端的通信，以及myRIO與移動終端的通信。

3.3.1 myRIO與PC端的通信

根據(jù)設(shè)計需要，采用WiFi 連接實現(xiàn)機器人與PC上位機的無線通信。在NI MAX 中可對myRIO 進行通信配置，具體過程為：打開myRIO的網(wǎng)絡(luò)適配器，默認連接選項為以太網(wǎng)適配器usb0 連接，將無線適配器WLAN的連接模式切換成連接至無線網(wǎng)絡(luò)，找到PC機所在的路由器網(wǎng)絡(luò)，輸入WiFi 密碼，即可實現(xiàn)myRIO與PC端的WiFi連接和數(shù)據(jù)傳輸，見圖12。

圖12 myRIO與PC實現(xiàn)WiFi連接

3.3.2 myRIO與移動終端的通信

為方便用戶在遠程終端上監(jiān)控機器人的各項指標，需要建立myRIO和智能終端之間的通信。一般有基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)共享變量或是Web service 等實現(xiàn)方式。設(shè)計中選用了網(wǎng)絡(luò)共享變量方式，因其簡單易行，且可直接應(yīng)用遠程控制軟件NI DATA DASHBOARD，有利于保障通信過程穩(wěn)定可靠［16］。

完成myRIO與智能終端iPad 的通信綁定。進行myRIO上的通信部署，將需要監(jiān)控的變量在LabVIEW程序中設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)共享變量，針對iPad 進行通信部署，即綁定對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)共享變量。

針對iPad 進行通信部署：在iPad 下載安裝Data Dashboard for LabVIEW；連接iPad和myRIO，確保連接時iPad、myRIO 和PC 上位機處于同一路由器下；在DATA DASHBOARD中放置所需相關(guān)控件，點擊控件下方的Connect ＞＞Shared Variables，在New Server中輸入myRIO的IP 地址；點擊Connect 連接，在可供綁定的共享變量庫中選擇需要響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)共享變量，即完成綁定。網(wǎng)絡(luò)共享變量綁定示例如圖13 所示。

圖13 綁定共享變量示例

3.3.3 操作界面

為方便用戶通過iPad直觀監(jiān)控機器人運行狀態(tài)，增加應(yīng)用程序的可移植性，在完成了myRIO上系統(tǒng)程序編制的基礎(chǔ)上，利用NI Data Dashboard 軟件實現(xiàn)iPad對陪伴機器人的無線控制以及二者間的無線數(shù)據(jù)傳輸，在iPad 上設(shè)計了簡潔友好的人機界面，如圖14 所示。

圖14 iPad端人機界面設(shè)計

用戶通過iPad可以直觀地看到系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括機器人自動跟隨狀態(tài)（檢測距離、電動機轉(zhuǎn)速等），當(dāng)前語音交互情況（時間及語音信息），WiFi連接狀態(tài)指示等等。

4 系統(tǒng)仿真測試

受疫情影響不能現(xiàn)場實驗，項目組進行了系統(tǒng)仿真測試，包括自動跟隨測試、語音測試和通信測試。

自動跟隨測試結(jié)果如圖15 所示，機器人檢測到前方有人，但由于人機距離尚在友好范圍內(nèi)，故仍處于靜候狀態(tài)。

圖15 自動跟隨測試效果

語音交互實現(xiàn)主要在于語音識別并調(diào)取播放對應(yīng)語音數(shù)據(jù)文件，圖16 展示了機器人正常開關(guān)機時播放的語音效果。

圖16 正常開關(guān)機時語音播放效果

當(dāng)機器人處于工作狀態(tài)時，在iPad上利用基于NI Data Dashboard 設(shè)計的人機界面，可實現(xiàn)對以myRIO為控制核心的陪伴機器人運行狀態(tài)的監(jiān)控，數(shù)據(jù)通信效果如圖17 所示。

5 結(jié)語

本文提供了一種基于NI myRIO，集圖像識別、運動控制、語音交互、無線通信以及數(shù)據(jù)傳輸為一體的家庭陪伴機器人設(shè)計方案。設(shè)計利用超聲波舵機、人體紅外感應(yīng)、攝像頭配合小車驅(qū)動等模塊實現(xiàn)機器人的自動避障、跟隨，采用LD3320模塊的語音識別功能及串口通信實現(xiàn)語音交互，發(fā)揮機器人的“陪伴”作用；通過數(shù)據(jù)通信設(shè)計，方便家人利用iPad 遠程監(jiān)控機器人工作狀態(tài)，使陪伴機器人更具有實用價值。

圖17 iPad端人機界面數(shù)據(jù)通信效果

系統(tǒng)測試表明該設(shè)計方案具有可行性，具有深入研發(fā)的價值，后期將從系統(tǒng)集成的角度考慮產(chǎn)品化設(shè)計，發(fā)揮家庭陪伴機器人的實際應(yīng)用價值。