CN102306234A - 一种气象科普机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有显著特点的气象科普机器人系统，包括：多功能的机器人载体和远程交互平台。其中，机器人载体采用开放式硬件/软件架构，模块化设计方式，支持无线远程控制与信息传输，可实现自主运动和避障、人脸识别、人机对话等功能；传感模块的气象传感器可以进行温度、湿度、风向、风速、气压、雨量、辐射度等气象要素的实时采集并通过语音模块处理后进行播报；同时，远程交互平台除可以与机器人载体信息交流，还有知识库查询功能。完整系统允许机器人在室内或户外环境移动，可广泛应用于各类科普展览、迎宾，并拓展与气象业务相结合，重点应用于气象科普宣传和展览领域。

Description

一种气象科普机器人系统

技术领域

本发明涉及一种机器人系统，特别是一种气象科普机器人系统。 

背景技术

气象事业是科技型、基础性社会公益事业。随着我国气象事业的发展，初步建立了天气、气候和科研体系，提高了气象监测、预报、预测和服务水平，在经济建设、社会发展和国防建设中发挥了重要作用。但是，大多数人除了关注天气预报，对气象事业的其它方面关注度并不高，其主要原因有：气象知识的普及化还不高，气象事业科技自主创新能力不强，宣传和实施方面还缺少具有个性化色彩的手段。 

机器人整合了控制理论、机械电子、计算机科学、人工智能、传感技术等各种理论和技术。智能机器人通过各种传感器感知内外部信息，经过“大脑”的信息处理对环境或互动个体发出响应。智能机器人的应用已经从传统的工业应用向各个领域拓展，机器人的功能更加完善且可以根据具体需求进行功能定制。利用机器人领域技术，将气象要素探测、天气播报、气象知识普及和气象信息可视化等结合为一体，并实现自主服务，从而提高气象业务特别是气象科普宣传工作的交互性。如何将机器人及其它现代技术巧妙地运用到气象领域，是一个值得深入探讨的课题，现有技术中尚无相关具体的报道。 

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种气象科普机器人系统。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种气象科普机器人系统，包括机器人载体和远程交互平台，二者通过无线路由传输信息；所述机器人载体包含控制模块、显示交互模块、动力模块、传感模块、语音模块、视频模块、通讯模块，该机器人载体通过控制模块与远程交互平台传输信息，所述控制模块包括内嵌式工控机和数据采集卡，内嵌式工控机和数据采集卡分别与所述动力模块、传感模块、视频模块、显示交互模块、通讯模块、语音模块通讯连接，所述内嵌式工控机用于对数据采集卡获得的信息进行分析处理并发送相关控制或响应指令对其它模块进行控制，所述数据采集卡，用于采集和存储接收的外部信息、感知模块信息以及系统内部模块产生的信息。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明公开的气象科普机器人系统，将传感器技术、无线遥控技术、模式识别技术等融为一体，并紧密结合气象要素采集和播报、气象知识查询和宣传等气象业务，突出了本系统的气象特点。用户可以通过触摸或语音方式控制机器人载体的运动并询问气象信息及知识，实现人机对话；机器人载体可以识别人脸特征，并能够在运动过程中实现自主避障。另外，机器人载体与远程交互平台的双向信息交流可实现气象采集要素的传递和远程机器人载体简单运动控制。本发明的气象科普机器人系统为气象事业增加了科技创新成分，用于气象科普展览，流动气象服务等，提高了气象业务的趣味性和互动性，为气象事业增添了个性化色彩，加强了了气象事业的普及化程度。 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1为本发明的气象科普机器人系统机器人载体模块构成图。 

图2为本发明的气象科普机器人系统机器人载体结构图。 

附图标号说明: N1 动力模块、N2驱动轮、N3导向轮、N4 控制模块、N5红外传感器、N6声纳传感器、N7无线通讯模块、N8外围电路、N9风速传感器、N10风向传感器、N11显示器、N12语音输入装置、N13视频输入装置。 

具体实施方式

结合图1~图2，本发明的一种气象科普机器人系统，包括机器人载体和远程交互平台，二者通过无线路由传输信息；所述机器人载体包含控制模块、显示交互模块、动力模块、传感模块、语音模块、视频模块、通讯模块，该机器人载体通过控制模块与远程交互平台传输信息，所述控制模块包括内嵌式工控机和数据采集卡，内嵌式工控机和数据采集卡分别与所述动力模块、传感模块、视频模块、显示交互模块、通讯模块、语音模块通讯连接，所述内嵌式工控机用于对数据采集卡获得的信息进行分析处理并发送相关控制或响应指令对其它模块进行控制，所述数据采集卡，用于采集和存储接收的外部信息、感知模块信息以及系统内部模块产生的信息。所述内嵌式工控机可用于其它控制板或设备的扩展。 

所述显示交互模块包括触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置、急停开关，所述触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置分别与控制模块中内嵌式工控机以及数据采集卡通讯连接，其中触摸屏用于手动输入信息，显示器用于显示输出信息及机器表情信息，语音输入输出装置包括麦克风和扬声器，用于输入语音和播报信息；所述无线键鼠输入装置用于手动输入信息，所述急停开关用于对机器人载体进行紧急制动。 

所述动力模块包括直流伺服电机、电机驱动器、运动控制卡、编码器、齿轮箱、驱动轮和导向轮，其中运动控制卡的处理和转接后的信号为电机驱动器的控制信号，编码器的信号通过所述电机驱动器及转接部分转接输入所述运动控制卡进行处理，编码器的信号为所述直流伺服电机运动控制的反馈信号，所述齿轮箱通过所述电机驱动器分别与直流伺服电机、驱动轮连接。 

所述传感模块包括声纳传感器、PSD红外传感器、温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、雨量传感器和辐射传感器，上述传感器均与控制模块的内嵌式工控机、数据采集卡通讯连接。机器人载体3还包括电源模块，所述电源模块扩展了常规的直流稳压电源，包括：5V，12V和24V，可以为各种传感器、显示器或其它设备供电。远程交互平台包括触摸屏、显示器、计算机、音响设备、电源设备、无线键鼠输入设备和网络接口及无线通讯模块。 

具体而言，气象科普机器人系统包括：机器人载体和远程交互平台，通过无线网络连接。所述机器人载体包含控制模块、显示交互模块、动力模块、传感模块、语音模块、视频模块、通讯模块。所述机器人载体，其中所述控制模块包括：内嵌式工控机、数据采集卡；所述控制模块与所述远程交互平台互为通讯连接。所述内嵌式工控机和数据采集卡分别与所述动力模块、显示交互模块、传感模块、视频模块、语音模块等通讯连接。所述内嵌式工控机，用于对数据采集卡获得的信息进行分析处理并发送相关控制或响应指令对其它模块进行控制。同时，所述内嵌式工控机可用于其它控制板或设备的扩展。所述数据采集卡，用于采集和存储接收的外部信息、感知模块信息以及系统内部模块产生的信息。所述的显示交互模块，其特征在于包括：触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置、急停开关；所述触摸屏、显示器、语音输入输出装置、无线键鼠输入装置分别与所述控制模块中内嵌式工控机以及数据采集卡通讯连接。所述触摸屏，用于手动输入信息。所述显示器，用于显示输出信息及机器表情信息。所述语音输入输出装置包括麦克风和扬声器，用于输入语音和播报信息。所述无线键鼠输入装置用于手动输入信息。所述急停开关用于对机器人载体进行紧急制动。所述机器人载体，其中所述动力模块包括：直流伺服电机、电机驱动器、运动控制卡、编码器、齿轮箱、驱动轮、导向轮。所述运动控制卡是所述动力模块的主要部分，经过所述运动控制卡的处理后的信号作为电机驱动器的控制信号。所述编码器的信号通过所述电机驱动器及转接部分转接输入所述运动控制卡进行处理，所述编码器可以作为所述直流伺服电机运动控制的反馈信号。所述齿轮箱通过所述电机驱动器分别与直流伺服电机、驱动轮连接。所述机器人载体，其中所述传感模块，其特征在于，包含声纳传感器、PSD红外传感器、温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、雨量传感器、辐射传感器，并与控制模块的内嵌式工控机、数据采集卡通讯连接。所述声纳传感器用于测定机器人周围障碍物的距离。所述PSD红外传感器用于目标距离测量和位置测量。所述温度传感器用于检测机器人载体周围环境的温度。所述湿度传感器用于检测机器人载体周围环境的湿度。所述风速风向传感器用于测量机器人载体所处环境的风速和风向。所述气压传感器用于测量机器人载体所处环境的气压。所述雨量传感器用于测量机器人载体所处环境规定时间内的降雨量。所述辐射传感器用于检测记录机器人载体周围环境太阳辐射参数。所述机器人载体，其中所述语音模块，用于处理与语音有关的事物，如语音识别，语音查询，语音播报。所述机器人载体，其中所述视频模块，用于采集图像和视频的处理，提取特征并进行人脸识别。所述机器人载体，其中所述通讯模块，其特征在于管理机器人载体与远程交互平台的基于无线网络的通讯。所述机器人载体还包括电源模块，供电方式包括电池供电和外接电源供电，用于各种驱动、传感器、显示器和其它功能电路的供电，提供了多种电压输出，如5V，12V，24V。 所述气象科普机器人系统，其特征在于，所述远程交互平台包括硬件设备和软件系统。所述远程交互平台的硬件设备包括触摸屏、显示器、计算机、音响设备、电源设备、无线键鼠输入设备和网络接口。所述远程交互平台的软件系统实现知识查询、机器人载体交互通讯和控制以及良好的人机交互界面。 

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述： 

本发明的气象科普机器人系统主要包括：机器人载体和远程交互平台;机器人载体通过无线网络与远程交互平台一起工作。在机器人载体上，可以通过触摸屏手工输入或语音输入运动指令，机器人载体的控制模块控制动力模块做出响应，使机器人载体按要求运动或自由运动。声纳传感器和PSD红外传感器可以感知障碍物信息并通过显示器展现，实现自主避障。此外，机器人载体可触摸实现以下功能：实时气象要素采集和播报，气象科普机器人系统主要功能介绍，与远程交互平台的通讯测试与连接控制，错误报警等。而通过语音模块，用户可以语音方式实现以上所有功能，并且语音查询知识储备中的各类气象知识、生活常识，与机器人载体进行人机对话。机器人载体可以通过其“眼睛”（视频输入装置）捕捉人脸图像并通过视频模块的处理和特征提取，进行人脸识别。

机器人载体和远程交互平台通信成功后，用户可以通过远程交互平台向机器人载体发送运动指令，并可以观察到机器人载体的运动情况。机器人载体通过传感模块的气象传感器采集到其位置环境的气象要素信息，不仅可以实时播报，还可以传送给远程交互平台显示。此外，用户在远程交互平台上可以触摸查询气象常识，知识库丰富，图文并茂，生动形象。这样，气象科普机器人系统的机器人载体不仅可以独立进行气象科普宣传，气象要素采集和播报，人脸识别和语音互动功能，还可以和远程交互平台进行信息交流，使各项功能更加完善，可靠性、稳定性显著增强，且具有显著气象特征。 

本发明系统的机器人载体基本模块构成如图1，其包括：控制模块、显示交互模块、动力模块、传感模块、语音模块、视频模块、通讯模块。 

其中，所述控制模块由内嵌式工控机和数据采集卡组成，内嵌式工控机集成了CPU、内存、硬盘、串口、并口、AD/DA、I/O、PCI、网络、VGA和8路USB 2.0接口等，采用了标准的数据总线与机器人载体其它模块或者外接模块进行数据通讯；控制模块主要对传感信息，视频和语音输入信息和其它模块产生的信息进行分析处理后，发出指令给相应动力模块或输出装置完成各自工作。 

所述显示交互模块包括触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置、急停开关，其中触摸屏、无线键鼠输入装置通过USB接口与控制模块的内嵌式工控机连接，显示器和语音输入输出装置则直接通过相应标准接口与内嵌式工控机及数据采集卡通讯连接。显示器有两个，安装在机器人载体头部的用于显示机器人动态表情，安装在机器人腹部的用来显示用户界面和其它输出信息，并将触摸屏安装在该处显示器上，用于手工输入信息；语音输入装置（一般为麦克风）安装在机器人载体手臂处，用于语音信号输入；无线键鼠因用于调试可不安装。此外，当机器人载体处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止动力模块运转，保证机器人载体和附近用户的安全。 

所述动力模块为轮式车模型，包含了两个直流伺服电机，电机驱动器，运动控制卡，编码器，两个齿轮箱，两个驱动轮，一个导向轮。运动控制卡是动力模块的核心，本机器人载体使用二轴的运动控制卡；运动控制卡的PWM信号通过处理和转接输入到电机驱动器，作为电机驱动器的控制信号。调节PWM信号的不同占空比可以调节机器人载体的速度。运动控制卡的DI/DO输出信号作为电机驱动器的方向及使能信号。编码器的信号通过电机驱动器及转接板转接，输入到运动控制卡中进行处理；编码器可以作为伺服运动控制的反馈信号。两个直流伺服电机分别与两个齿轮箱连接，两个齿轮箱分别与两个驱动轮连接，驱动整个机器人载体的运动；所述导向轮独立安装，无电连接。机器人载体的转弯主要是通过两个电机的差动驱动来实现。 

所述传感模块包含声纳传感器、PSD红外传感器和气象传感器。声纳传感器和PSD红外传感器都安装在轮式车的顶层，即机器人载体的中下部，作为两种测距传感器可以互补，机器人载体安装了12个声纳传感器，两两之间的夹角是30度，可以进行全方位测距。PSD红外传感器位置分辨率高、响应快，能够对位置、位移、角度等进行实时测量。因此，可以实现机器人载体的自动避障。 

所述传感模块还包括气象机器人载体上的各气象传感器：温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、辐射传感器、气压传感器，用于对风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射等气象要素进行现场实时监测。设置专用芯片及外围电路能够进行数据采样、处理、存储及数据传输，并通过RS232串口与工控机通讯连接。对于模拟信号，将该信号接入专用的数据采集卡，结合固定的数据处理程序获得测量对象的测量值；对于数字信号，经串口输入，根据该信号的输入格式，直接分析测量对象的测量值。 

所述语音模块对输入语音信息进行语音识别，并通过语音合成将语音库中匹配的文字信息实时转换成连续的语音，通过语音输出装置输出。语音模块主要组件包括：语音合成运行库，包含运行合成系统需要的资源、管理工具和演示程序；语音合成开发包，包含开发需要的声明、接口文档和示例程序源码；加密锁，用于防止非法拷贝和控制License数量。语音模块可以对知识问答，日常对话，语音控制等语音信息进行处理并做相应语音输出。 

所述视频模块在显示交互模块的视频输入装置辅助下，用于视频采集处理和人脸识别。其特征在于，非接触地采集和提取人脸的某些特征，通过这些特征进行比对，识别人脸。其中，采集视频图像，获取视频数据后，用户可以对该视频数据进行处理，包括图像的预处理、图像压缩、提取图像的各种特征和图像压缩等；视频采集装置安装在机器人载体的顶部，保证可视正常人体高度。 

所述通讯模块用于管理机器人载体与远程交互平台的无线通讯。该模块使用USB无线网卡连接无线网络，实现与相互远程交互平台的通讯。 

所述气象科普机器人系统还包括远程交互平台，该平台具有触摸查询功能。安装触摸屏显示器，设计气象科普用户界面，不仅介绍展示气象常识，旅游城市天气查询及相关气候信息查询，最重要的是可以通过无线通讯和机器人载体进行信息交流，接受机器人实时采集的气象要素信息，并对机器人载体操作控制，观察机器人附近障碍物距离信息。 

本发明的机器人载体有外界电源接口，小范围活动时可采用外接电源，电池供电线路自动切断；机器人载体的电池采用24V，20AH的锂电池，可在充满电后运行2小时以上。 

本发明的机器人载体结构，如图2所示。动力模块N1安装在所述机器人载体主箱体的底层，机器人载体脚部安装左右两个驱动轮N2，使机器人载体在电机驱动下可以自主运动；机器人载体主箱体底层靠近后部位置安装导向轮N3，用于使机器人载体能够自由转动；PSD红外传感器N5和声纳传感器N6安装在机器人载体主箱体的上部，并且是360度全方位安装，能够实现自主避障；气象传感器专用芯片和外围电路N8安装在机器人载体主箱体顶部，对气象传感器采集信息进行数据采样、处理、存储及数据传输；风速传感器N9和风向传感器N10安装在机器人载体的左右手部位置，用来测量风向风速，其它气象传感器安装在机器人载体身后相应位置，并与气象传感器专用芯片连接；机器人载体手臂处还需安装语音输入装置N12，用以输入语音信息，并且保证语音能较清晰输入；显示交互模块的2个显示器N11分别安装在机器人载体脸部和机器人载体中部位置，脸部显示器可以显示机器人的动态表情，增加其交互生动性，机器人载体中部显示器安装触摸屏，是用户主界面操作显示部分，输出各种可视信息；机器人载体头顶安装视频输入装置N13，用于采集视频图像信息；机器人载体的控制模块N4位于主箱体中间层，与其它模块通讯连接；无线通讯模块N7的无线网卡安装在身部显示器后面，通过USB接口与机器人载体的控制模块工控机相连，实现与远程交互平台的通讯；另外，机器人载体背部位置安装急停开关，防止机器人载体失控伤人；远程交互平台设置成触摸查询一体机的样式，实现各种查询和远程控制操作。如图2所示，机器人载体有外壳，显示器、传感器、视频输入装置、语音输入装置等是可视的，而主箱体部分是不可视的。 

本发明的机器人系统主要用于气象业务领域，特别可以服务于气象科普展览和宣传，并体现机器人的互动特点。机器人载体采用开放式硬件/软件架构，模块化设计方式，支持无线远程控制与信息传输，可自主运动和避障、人脸识别、人机对话（包括语音识别和语音合成）、气象信息采集与播报等功能；同时，远程交互平台除可以与机器人载体信息交流，还有知识查询功能。该系统结构清晰，功能全面，能在宣传气象知识、报告气象信息的同时具备很好的互动性和趣味性，有利于气象科普知识的普及。 

Claims (6)

1.一种气象科普机器人系统，其特征在于，包括机器人载体和远程交互平台，二者通过无线路由传输信息；所述机器人载体包含控制模块、显示交互模块、动力模块、传感模块、语音模块、视频模块、通讯模块，该机器人载体通过控制模块与远程交互平台传输信息，所述控制模块包括内嵌式工控机和数据采集卡，内嵌式工控机和数据采集卡分别与所述动力模块、传感模块、视频模块、显示交互模块、通讯模块、语音模块通讯连接，所述内嵌式工控机用于对数据采集卡获得的信息进行分析处理并发送相关控制或响应指令对其它模块进行控制，所述数据采集卡，用于采集和存储接收的外部信息、感知模块信息以及系统内部模块产生的信息。

2.根据权利要求1所述的气象科普机器人系统，其特征在于，所述显示交互模块包括触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置、急停开关，所述触摸屏、显示器、语音输入输出装置、视频输入装置、无线键鼠输入装置分别与控制模块中内嵌式工控机以及数据采集卡通讯连接，其中触摸屏用于手动输入信息，显示器用于显示输出信息及机器表情信息，语音输入输出装置包括麦克风和扬声器，用于输入语音和播报信息；所述无线键鼠输入装置用于手动输入信息，所述急停开关用于对机器人载体进行紧急制动。

3.根据权利要求1所述的气象科普机器人系统，其特征在于，所述动力模块包括直流伺服电机、电机驱动器、运动控制卡、编码器、齿轮箱、驱动轮和导向轮，其中运动控制卡的处理和转接后的信号为电机驱动器的控制信号，编码器的信号通过所述电机驱动器及转接部分转接输入所述运动控制卡进行处理，编码器的信号为所述直流伺服电机运动控制的反馈信号，所述齿轮箱通过所述电机驱动器分别与直流伺服电机、驱动轮连接。

4.根据权利要求1所述的气象科普机器人系统，其特征在于，所述传感模块包括声纳传感器、PSD红外传感器、温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、气压传感器、雨量传感器和辐射传感器，上述传感器均与控制模块的内嵌式工控机、数据采集卡通讯连接。

5.根据权利要求1所述的气象科普机器人系统，其特征在于，机器人载体还包括电源模块，所述电源模块扩展了常规的直流稳压电源，包括：5V，12V和24V。

6.根据权利要求1所述的气象科普机器人系统，其特征在于，远程交互平台包括触摸屏、显示器、计算机、音响设备、电源设备、无线键鼠输入设备和网络接口及无线通讯模块。

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