CN108592936A - 一种基于ros的服务机器人及其语音交互导航方法 - Google Patents

一种基于ros的服务机器人及其语音交互导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ROS的服务机器人及其语音交互导航方法。所述服务机器人包括移动底盘、外壳、支撑架、两台PC，其中移动底盘包含有驱动导向支撑车轮组、电机模块、陀螺仪、电子罗盘、电源模块和紧急避障模块；外壳上安装触摸屏、屏幕切换器和数据采集模块；底层PC安装ROS；上层PC安装安卓。所述语音交互导航方法包括：服务机器人获取环境信息，建立二维地图，从地图中获取目标位姿并设定名称加入到任务目标集合中，然后将其添加到语音交互导航模块中。启动语音交互导航模块，设定初始位置，用户在安卓的语音交互端输入想要去的位置，并识别出关键字，然后通过串口发送给语音交互导航模块作为目标位置，利用路径规划模块和紧急避障模块完成导航任务。

Description

一种基于ROS的服务机器人及其语音交互导航方法
技术领域
本发明属于服务机器人技术领域，特别是涉及一种基于ROS的服务机器人及其语音交互导航方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的飞速发展和社会的需要，服务机器人技术也得到了不断的发展，服务机器人已经逐渐进入到家用，商用，导游，医疗，教育，安保等日常生活的各个领域。在人口老龄化加剧，生活压力增大的当今社会，人们需要服务机器人能够提供更加优质的服务。根据目前市场数据显示，在家用服务机器人中，大部分是清洁机器人和除草机器人，他们大多只能按照预先设定的命令完成任务，缺乏解决突发事件的能力，甚至缺少丰富的人机交互功能，此外，目前投入使用的送餐机器人，在送餐过程中需要沿着预先设定的磁性导航条来指引行走，导航过程中自主性较低，并且大多只能完成一对一的任务。针对传统服务机器人的这些不足之处，研发出一款具有丰富的人机交互能力的服务机器人成为社会发展的必然趋势。
发明内容
本发明的目的是实现服务机器人的语音交互导航，用户可以告诉服务机器人他想要去的地方，服务机器人引导用户到达目标位置，并提醒用户到达。
为实现上述目的，本发明解决问题所采取的技术方案是：
一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述服务机器人是一种人形机器人，包含移动底盘，外壳5和支撑架3和两台PC。其中移动底盘包含有驱动导向支撑车轮组1、电机模块2、陀螺仪10、电子罗盘9、电源模块6和紧急避障模块8。外壳上安装有触摸屏显示器13、屏幕切换模块7和数据采集模块12。两台PC分别是上层PC11和底层PC4。所述底层PC 4通过USB串口分别与所述上层PC 11、紧急避障模块8，数据采集模块12，电机模块2进行通信。所述电源模块6包含电池和电源转换模块，电池电压通过电源转换模块转换为其他电压，供其他设备使用。
其中，上述所述驱动导向支撑车轮组1由四个万向轮和两个驱动轮组成，四个万向轮成正方形结构安装在所述服务机器人移动底盘底部，两个驱动轮安装在所述服务机器人移动底盘的中间位置的两侧。
上述所述紧急避障模块8包含一组8路超声波传感器，均匀的分散在服务机器人底盘的正前方和左右两侧。
上述所述数据采集模块12使用astra深度相机。
上述所述电机模块2包括两个直流电机和两个码盘。
上述所述上层PC 11安装有安卓系统并内嵌语音交互模块，完成用户的声音识别和语音提示。
上述所述屏幕切换模块7包含一个屏幕切换器，通过三根HDMI连接线分别与所述触摸屏显示器()、底层PC()和上层PC连接。用来切换信号输入源。
上述其特征在于，包含以下步骤：
(1)初始化：配置语音交互导航模块
(2)启动语音交互导航模块，并加载步骤(1)中创建的环境地图
(3)在步骤(2)中加载的地图中，手动确定服务机器人的初始位置
(4)用户面对服务机器人说出想要去的地方，也就是所谓的目标位置，
(5)服务机器人中安装有语音交互模块的上层PC 11，接收步骤(4)中用户的语音信息并识别出关键字，即任务目标的名称
(6)上层PC 11通过串口将步骤(5)中识别到的关键字发送给底层PC 4
(7)判断步骤(1)中创建的任务目标集合中是否包含步骤(5)中识别到的关键字
(8)当步骤(1)中创建的任务目标集合包含步骤(5)中识别到的关键字时，使用路径规划模块规划出一条从起始位置到目标位置的安全无障碍的路径
(9)当步骤(1)中创建的任务目标集合不包含步骤(5)中识别到的关键字时，重复步骤(4)至步骤(8)的内容，直到可以规划出一条安全、无碰撞的路径为止
(10)服务机器人按照步骤(8)中规划出的路径行走
(11)判断服务机器人在行走过程中是否遇到突然出现的障碍物，例如突然出现的行人
(12)当服务机器人在行走过程中没有遇到突然出现的障碍物时，服务机器人将按照步骤(8)中规划的路径行走，直到到达目标位置为止
(13)当服务机器人在行走过程中遇到突然出现的障碍物时，使用紧急避障模块8，通过转动或者后退躲避障碍物，然后重复步骤(8)到步骤(12)的方法，直到服务机器人到达目标位置为止
(14)到达目标位置以后，底层PC 4通过串口发送一个到达的信号给上层PC 11
(15)上层PC 11接收到步骤(14)中的信号以后，语音交互模块识别该信号，并通过语音提醒用户到达用户想要去的地方
(16)设置当前目标位置的目标点位姿为下一次导航的起始位置
(17)判断是否结束语音交互导航
(18)当服务机器人结束语音交互导航时，那么退出语音交互导航，任务结束
(19)当继续语音交互导航任务时，重复步骤(4)到步骤(19)的方法，进行下一次的语音交互导航
(20)任务结束
上述所述步骤(1)所述的配置语音交互导航模块的具体步骤是：
(1)启动服务机器人，启动数据采集模块12
(2)控制服务机器人在环境中运行，采集环境信息
(3)利用步骤(2)中获取的环境信息，使用Gmapping功能包建立环境的二维地图
(4)在步骤(3)中建立的地图上，获取多个目标点的位姿(包括位置和方向)，并为每个目标点设置唯一的名称
(5)在语音交互导航模块中创建任务目标集合，并将每个目标点的名字加入到该集合中
(6)将步骤(4)中得到的目标点的位姿及其名称加入到语音交互导航模块中
(7)语音交互导航模块配置完成
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果
(1)服务机器人采用目前流行的机器人操作系统——ROS，由于其本身的开源性，使得机器人软件系统对环境的适应性更强，同时也提高了软件系统的实时性。
(2)服务机器人采用紧急避障模块，使得服务机器人在环境发生变化的情况下，能够做出迅速的反应，准确的应对。
(3)服务机器人采用了深度相机采集环境信息，采集的数据信息是以相机为顶点的一个圆锥体，获取的环境信息更加丰富，建立的地图更加准确。
(4)服务机器人采用了触摸屏显示器，使用者能够随自己的意愿设定服务机器人巡航的目标点，丰富了人机交互的功能。
(5)服务机器人采用了语音交互导航的方法，增强了人机交互的功能，语音输入，语音提醒，更加容易被用户接受和理解，使用更加方便。
附图说明
图1为服务机器人结构图
图2为服务机器人语音交互导航流程图
图3为服务机器人配置语音交互导航模块流程图
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。
本发明涉及一种基于ROS的服务机器人及其语音交互导航方法，包含移动底盘，外壳5和支撑架3 和两台PC。其中移动底盘包含有驱动导向支撑车轮组1、电机模块2、陀螺仪10、电子罗盘9、电源模块 6和紧急避障模块8。外壳上安装有触摸屏显示器13、屏幕切换模块7和数据采集模块12。两台PC分别是上层PC 11和底层PC 4。所述底层PC 4通过USB串口分别与所述上层PC 11、紧急避障模块8，数据采集模块12，电机模块2进行通信。所述电源模块6包含电池和电源转换模块，电池电压通过电源转换模块转换为其他电压，供其他设备使用。启动服务机器人和数据采集模块12后，控制服务机器人在未知环境中运行，外壳上安装的深度相机采集环境信息，从移动底盘上去取编码器、陀螺仪10和电子罗盘9的数据信息，并转换为里程计信息，综合环境信息和里程计信息，使用ROS提供的Gmapping功能包，建立环境的二维地图，在地图中获取多个目标点的位姿信息，为每个目标点设置唯一的名称。在语音交互导航模块中创建任务目标集合，并将每个目标点的名称添加到任务目标集合中。将每个目标点的位姿和名称添加到语音交互导航模块中，完成语音交互导航模块的配置。启动语音交互导航模块，会在可视化窗口中自动加载已建立的二维地图，并在地图中设置服务机器人的当前位置，用户对服务机器人说出他想要去的地方，服务机器人通过语音交互模块识别出想要去的地方的关键字，并通过串口发送给底层PC 4，底层PC 4 接收到关键字后，如果该关键字是任务目标集合的个体，那么服务机器人使用路径规划模块规划出一条从起始位置到目标位置的安全、无碰撞的路径，服务机器人按照规划出来的路径引导用户从起始位置运行到目标位置，到达目标位置以后，底层PC 4通过串口发送给上层PC 11一个到达的信号，上层PC 11通过语音提示用户到达用户想去的地方。运行的过程中，服务机器人使用紧急避障模块8躲避环境中出现的一些新的障碍物。
如图2所示，本发明的基于ROS的服务机器人语音交互导航方法，步骤如下：
(1)初始化：配置语音交互导航模块
(2)启动语音交互导航模块，并加载步骤(1)中创建的环境地图
(3)在步骤(2)中加载的地图中，手动确定服务机器人的初始位置
(4)用户面对服务机器人说出想要去的地方，也就是所谓的目标位置，
(5)服务机器人中安装有语音交互模块的上层PC 11，接收步骤(4)中用户的语音信息并识别出关键字，即任务目标的名称
(6)上层PC 11通过串口将步骤(5)中识别到的关键字发送给底层PC 4
(7)判断步骤(1)中创建的任务目标集合中是否包含步骤(5)中识别到的关键字
(8)当步骤(1)中创建的任务目标集合包含步骤(5)中识别到的关键字时，使用路径规划模块规划出一条从起始位置到目标位置的安全无障碍的路径
(9)当步骤(1)中创建的任务目标集合不包含步骤(5)中识别到的关键字时，重复步骤(4)至步骤(8)的内容，直到可以规划出一条安全、无碰撞的路径为止
(10)服务机器人按照步骤(8)中规划出的路径行走
(11)判断服务机器人在行走过程中是否遇到突然出现的障碍物，例如突然出现的行人
(12)当服务机器人在行走过程中没有遇到突然出现的障碍物时，服务机器人将按照步骤(8)中规划的路径行走，直到到达目标位置为止
(13)当服务机器人在行走过程中遇到突然出现的障碍物时，使用紧急避障模块8，通过转动或者后退躲避障碍物，然后重复步骤(8)到步骤(12)的方法，直到服务机器人到达目标位置为止
(14)到达目标位置以后，底层PC 4通过串口发送一个到达的信号给上层PC 11
(15)上层PC 11接收到步骤(14)中的信号以后，语音交互模块识别该信号，并通过语音提醒用户到达用户想要去的地方
(16)设置当前目标位置的目标点位姿为下一次导航的起始位置
(17)判断是否结束语音交互导航
(18)当服务机器人结束语音交互导航时，那么退出语音交互导航，任务结束
(19)当继续语音交互导航任务时，重复步骤(4)到步骤(19)的方法，进行下一次的语音交互导航
(20)任务结束
上述所述基于ROS的服务机器人语音交互导航方法，其特征在于，步骤(1)所述的配置语音交互导航模块。如图3所示，包括以下步骤：
(1)启动服务机器人，启动数据采集模块12
(2)控制服务机器人在环境中运行，采集环境信息
(3)利用步骤(2)中获取的环境信息，使用Gmapping功能包建立环境的二维地图
(4)在步骤(3)中建立的地图上，获取多个目标点的位姿(包括位置和方向)，并为每个目标点设置唯一的名称
(5)在语音交互导航模块中创建任务目标集合，并将每个目标点的名字加入到该集合中
(6)将步骤(4)中得到的目标点的位姿及其名称加入到语音交互导航模块中
(7)语音交互导航模块配置完成。

Claims (9)

1.一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述服务机器人是一种人形机器人，包含移动底盘，外壳(5)和支撑架(3)和两台PC。其中移动底盘包含有驱动导向支撑车轮组(1)、电机模块(2)、陀螺仪(10)、电子罗盘(9)、电源模块(6)和紧急避障模块(8)。外壳上安装有触摸屏显示器(13)、屏幕切换模块(7)和数据采集模块(12)。两台PC分别是上层PC(11)和底层PC(4)。所述底层PC(4)通过USB串口分别与所述上层PC(11)、紧急避障模块(8)，数据采集模块(12)，电机模块(2)进行通信。所述电源模块(6)包含电池和电源转换模块，电池电压通过电源转换模块转换为其他电压，供其他设备使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述驱动导向支撑车轮组(1)由四个万向轮和两个驱动轮组成，四个万向轮成正方形结构安装在所述服务机器人移动底盘底部，两个驱动轮安装在所述服务机器人移动底盘的中间位置的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述紧急避障模块(8)包含一组8路超声波传感器，均匀的分散在服务机器人底盘的正前方和左右两侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述数据采集模块(12)使用astra深度相机。
5.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述电机模块(2)包括两个直流电机和两个码盘。
6.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述上层PC(11)安装有安卓系统并内嵌语音交互模块，完成用户的声音识别和语音提示。
7.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人，其特征在于，所述屏幕切换模块(7)包含一个屏幕切换器，通过三根HDMI连接线分别与所述触摸屏显示器()、底层PC()和上层PC连接。用来切换信号输入源。
8.根据权利要求1所述的一种基于ROS的服务机器人语音交互导航方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)初始化：配置语音交互导航模块
(2)启动语音交互导航模块，并加载步骤(1)中创建的环境地图
(3)在步骤(2)中加载的地图中，手动确定服务机器人的初始位置
(4)用户面对服务机器人说出想要去的地方，也就是所谓的目标位置，
(5)服务机器人中安装有语音交互模块的上层PC(11)，接收步骤(4)中用户的语音信息并识别出关键字，即任务目标的名称
(6)上层PC(11)通过串口将步骤(5)中识别到的关键字发送给底层PC(4)
(7)判断步骤(1)中创建的任务目标集合中是否包含步骤(5)中识别到的关键字
(8)当步骤(1)中创建的任务目标集合包含步骤(5)中识别到的关键字时，使用路径规划模块规划出一条从起始位置到目标位置的安全无障碍的路径
(9)当步骤(1)中创建的任务目标集合不包含步骤(5)中识别到的关键字时，重复步骤(4)至步骤(8)的内容，直到可以规划出一条安全、无碰撞的路径为止
(10)服务机器人按照步骤(8)中规划出的路径行走
(11)判断服务机器人在行走过程中是否遇到突然出现的障碍物，例如突然出现的行人
(12)当服务机器人在行走过程中没有遇到突然出现的障碍物时，服务机器人将按照步骤(8)中规划的路径行走，直到到达目标位置为止
(13)当服务机器人在行走过程中遇到突然出现的障碍物时，使用紧急避障模块(8)，通过转动或者后退躲避障碍物，然后重复步骤(8)到步骤(12)的方法，直到服务机器人到达目标位置为止
(14)到达目标位置以后，底层PC(4)通过串口发送一个到达的信号给上层PC(11)
(15)上层PC接收到步骤(14)中的信号以后，语音交互模块识别该信号，并通过语音提醒用户到达用户想要去的地方
(16)设置当前目标位置的目标点位姿为下一次导航的起始位置
(17)判断是否结束语音交互导航
(18)当服务机器人结束语音交互导航时，那么退出语音交互导航，任务结束
(19)当继续语音交互导航任务时，重复步骤(4)到步骤(19)的方法，进行下一次的语音交互导航
(20)任务结束。
9.根据权利要求8所述的一种基于ROS的服务机器人语音交互导航方法，其特征在于，步骤(1)所述的配置语音交互导航模块的具体步骤是：
(1)启动服务机器人，启动数据采集模块(12)
(2)控制服务机器人在环境中运行，采集环境信息
(3)利用步骤(2)中获取的环境信息，使用Gmapping功能包建立环境的二维地图
(4)在步骤(3)中建立的地图上，获取多个目标点的位姿(包括位置和方向)，并为每个目标点设置唯一的名称
(5)在语音交互导航模块中创建任务目标集合，并将每个目标点的名字加入到该集合中
(6)将步骤(4)中得到的目标点的位姿及其名称加入到语音交互导航模块中
(7)语音交互导航模块配置完成。
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