CN202230387U - 一种导引机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于 ARM 处理器为核心，多种传感器为信息输入，音频及视频为主要输出方式的导引机器人系统。该系统能够向游客提供游览路径导航、景区特点介绍、人机互动交流及其他服务，并能与景区主控系统进行无线信息交流，在主控系统的指引下与其他机器人能够互相通信，共享位置、景点实时等信息，实现多点导游网络。

Description

一种导引机器人系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能机器人，尤其是一种导引机器人系统。

背景技术

导游职业在我国旅游事业的高速发展过程中起到了非常重要的作用，然而多数旅游景点的导游工作都具有重复性高、创造性低的特点。一方面高度重复性的劳动浪费了大量的人力资源；另一方面长期从事某项导游工作也难免使人产生滞怠情绪，降低服务质量。此外，随着各种新兴的旅游方式的兴起，游客通常会希望及时地得到不同的信息，同时也希望导游方式也更加吸引人；然而传统的导游服务逐渐地不能满足这些需求，这为面向旅游业的导引机器人的诞生及发展提出了市场需求。近年来国家重点发展服务机器人事业，目的在于利用机器人代替一些以往需要人完成的工作，以减轻人工负担、并降低某些工作的危险性，此类机器人有：家庭清洁机器人、护理机器人、助行机器人等一些文教娱乐机器人。通过研究人员对环境感知、信息融合、自主决策以及精密控制等智能机器人技术的不断创新，现阶段的服务机器人已经能在很多场合发挥出令人满意的作用，各种服务机器人的发展为旅游导引机器人的发展奠定了技术基础。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供一种基于ARM处理器为核心，多种传感器为信息输入，音频及视频为主要输出方式的导引机器人系统。该系统能够向游客提供游览路径导航、景区特点介绍、人机互动交流及其他服务，并能与景区主控系统进行无线信息交流，在主控系统的指引下与其他机器人能够互相通信，共享位置、景点实时等信息，实现多点导游网络。

本实用新型的技术方案是：一种导引机器人系统，包括：

视频信息采集模块，采集视频图像并对采集到的视频图像进行处理，计算出障碍物的位置；

音频信息模块，将文字转化为语音的输出并由扬声器实现机器人的发声；

运动控制模块，导引机器人的漫游控制和避障控制；

无线通信模块，实现与主控机之间的无线通信；

电源管理模块，为上述各模块提供电源。

进一步的，所述视频信息采集模块包括摄像头、视频解码器以及DSP处理器，所述摄像头通过视频解码器与DSP处理器相连。

进一步的，所述音频信息模块包括微控制器、Flash存储器、D/A转换器和功率放大器，所述Flash存储器与微控制器相连，所述微控制器通过D/A转换器与功率放大器相连。

进一步的，所述运动控制模块包括电机以及电机控制电路。

进一步的，所述电机控制电路包括光电隔离器、电压比较器、电机驱动控制芯片及外围电路、光电编码盘和霍尔电流传感器，由ARM定时器产生的PWM波经过光电隔离器隔离后输入电压比较器与控制芯片提供的安全保护电压比较后输入到控制芯片的PWM发生器，控制芯片与电机相连，所述电机内置霍尔位置传感器并与光电编码盘相连。

进一步的，所述电机为直流无刷电机。

进一步的，所述无线通信模块为WIFI模块。

进一步的，所述摄像头为两个。

本实用新型的优点是：

该系统可以丰富旅游景点的导游服务市场，缓解一些景区导游人员不足的压力，有效保证景区的引导服务质量，避免因导游人员的滞怠情绪而导致的服务质量下降情况，并且可以同步主控机实时更新景区信息，与其他导引机器人协调共同完成景区导引服务。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的导引机器人开发流程图。

图2为视频信息采集模块结构框图。

图3为图像采集流程图。

图4为音频系统架构及操作流程图。

图5为运动控制模块硬件原理方案图。

图6为双闭环调速原理图。

图7为运动控制模块程序流程图。

图8为中心网络结构图。

图9为机械本体结构示意图。

图10为机械本体结构示意图。

其中：1摄像头；2扬声器；3触摸屏；4驱动轮；5导向轮；6视频模块、音频模块硬件安装柜；7主处理器及运动控制模块硬件安装柜；8电池安装柜。

具体实施方式

实施例：本实用新型的导引机器人系统包括视频信息采集模块、音频信息模块、运动控制模块、无线通信模块、电源管理模块和机械本体结构，加上主控机和其他设备共同组成导引机器人系统。导引机器人的开发过程为：选取主处理器、协处理器、CCD摄像头等视频设备、音频设备、运动驱动设备等，设计机器人整体机械结构；以ARM11为主处理器，用JTAG串口线、网线将主机与目标板连接起来，建立硬件开发平台；在PC机上建立虚拟机，安装Linux系统，安装配置通信软件，建立交叉编译环境，进行Bootloader移植、Linux系统移植和文件系统移植建立软件开发平台；然后进行各硬件设备的驱动程序开发和各模块应用程序开发；最后连接各模块硬件及软件系统进行整体调试和实验，其开发流程图如图1所示。

导引机器人主要模块的组建方法如下：

(1)  导引机器人的视频信息采集模块

导引机器人在动态引导模式下的漫游控制及避障依赖于视频信息的高速采集和图像处理，因此选用TI公司的DSP处理器TMS320DM642作为协处理器进行视频/图像的数字处理。该模块采用双摄像头进行视频信息采集， PHILIPS公司的SAA7113H视频解码器进行视频解码，解码信号输入DSP芯片,然后DSP通过HPI(Host Port Interface)接口与ARM连接进行通信。

机器人的视觉避障主要有以下步骤：第一步，把图像转化到RGB色域；第二步，图像的均衡化处理；第三步，进行目标颜色的匹配，主要是地面颜色的匹配，系统以工作环境的地面颜色作为色彩匹配的目标值，最终将图像二值化成为黑白两色，其中呈现白色的部分就是地面，而呈现黑色的就是非地面的障碍物了；第四步是软件滤波，滤掉CCD摄像头视频采集到DSP图像捕捉这个过程中引入的噪声信号；第五步，梯形避障算法，在图像中划分出一个梯形区域，这个区域就是机器人前进方的一片区域，在这个区域内进行查找，如果黑色像素数超过一定数量，就认定在前方的梯形区域内有障碍物，采用中断方式发送信号到运动控制模块，进行机器人的避障控制。

视频模块连接图如图2所示。图像采集流程图如图3所示。

导引机器人的音频信息模块

导引机器人的音频信息模块选取Atmel公司的AT89S52单片机为协处理器，开发出基于波形编辑法的嵌入式TTS（Text To Speech）系统。该TTS嵌入式系统基于AT89S52单片机采用时域波形编辑技术，利用GB2312汉字编码字符集中所有字符发音作为原始材料，通过使用改进的游程编码算法压缩生成可适用于当前Flash存储器的语音库，并采用多重查找表设计及预存储命令字技术有效地加快语音库的寻址速度，成功的实现了文字转化为语音的输出。

协处理器与ARM经串口连接通信，由主处理器ARM程序把所要发声文档经串口输出到TTS系统，经过TTS系统转化后再经过D/A转换和功率放大，由扬声器实现机器人的发声。系统原理框图及主要操作流程见图4所示。

导引机器人的运动控制模块

运动控制模块硬件由两组直流无刷电机、光电隔离器、电压比较器、电机驱动控制芯片LM621及外围电路、光电编码盘和霍尔电流传感器等组成，分别驱动两个驱动轮。运动控制模块硬件原理方案如图5所示。由ARM定时器产生的PWM波经过PWM1接口进入光电隔离器隔离后，输入电压比较器与LM621提供的安全保护电压比较后，在保证系统安全的情况下输入到LM621的PWM发生器，由于所采用的LM621芯片具备过流保护、硬件死区设置、转向设定等功能，内置霍尔位置传感器，自动实现驱动逻辑，所以LM621自动根据内置霍尔传感器的位置反馈产生符合控制逻辑时序的PWM序列，驱动电机的运转。光电编码盘提供电机的转速反馈，霍尔传感器提供电流反馈，系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，从而构成了一个直流双闭环调速的伺服驱动系统。双闭环调速原理图如图6所示。

运动控制模块程序流程图如图7所示。

运动控制模块是机器人系统的核心模块之一，在该模块驱动下完成导引机器人的漫游控制和避障控制。主控机通过摄像头遥控导引机器人做全景区的遍历，建立景点坐标信息和景点路径数据库，导引机器人以该数据库为基础实现对已知环境的漫游导航控制。

导引机器人的无线通信模块

景区的无线网络采用有中心网络的方式组建，中心网络结构包括：STA（Station）、WM（Wireless Medium）和AP（Access Point）。中心网络结构如图8所示。

机器人的WIFI模块采用Marvell公司的88w8686，通过SPI接口与ARM连接通信。需要开发的驱动程序为WLAN驱动和SPI驱动。嵌入式Linux系统动态加载WIFI设备驱动后，导引机器人即可与主控机实现无线通信。

基于ARM的Linux系统主程序构架：

主程序主要包括三部分：

1.   语音交流模块：该模块主要完成对游客的简单问候、景点特色介绍等功能。程序调用数据来源于单片机TTS系统。

导航模块：导航功能主要由触摸屏系统与游客的交流中触发，调

用景区地图数据库完成景点间的移动；调用基于DSP的视频信息采集模块信息完成移动中的避障。

无线通信模块：主程序通过WIFI模块实现与主控机的信息交流。

导引机器人通过该模块向主控机实时传输其服务景点的视频信息，并通过该模块接受主控机的遥控指令以完成相应动作。

导引机器人的机械本体结构示意图如图9、图10所示。

导引机器人系统工作流程

首先，主控机通过摄像头遥控机器人做全景区遍历，建立景区地图数据库；其次，主控机遥控分配各个导引机器人移动到不同景点分别执行导引任务；第三，某景点工作的导引机器人主动对游客进行简单问候、景点特点介绍，在此过程中导引机器人进行该景点游客流量统计，并把信息实时发送给主控机；第四，游客通过触摸屏系统与导引机器人交流，此时导引机器人可进行地图导航和实时最优游览路径推荐，并可在游客要求下进入动态引导模式，引导游客到其他景点。

静态引导：

此模式下导引机器人系统工作在景区的固定景点，主要完成的功能有景点的特色介绍、景区的导航查询、景点游客数量统计以及建议游览路线规划等。在静态引导模式下，导引机器人系统可以进行景点特色的主动介绍；通过基于视觉图像的人体、人像识别和环境识别技术和人声语音指令的识别技术，可以与游客进行简单的语音互动交流；通过基于ARM平台的触控系统和导航查询系统，完成与游客的主要交流和景区导航查询等任务；通过基于视觉图像的人体、人像识别技术和基于ARM控制系统上的WIFI无线技术完成景点游客的流量统计和与主控系统无线信息交流；通过基于ARM平台的导航查询系统和整个景区多点静态引导模式下导引机器人对游客的流量统计数据对游客的游览路线进行规划和建议。

动态引导：

在主控机命令或游客选取命令下可激活导引机器人的动态引导模式。由游客选取命令进入该模式下，导引机器人系统可以进行动态的景区导航，完成引导游客由某一景点向目标景点的移动，在导引过程中机器人会通过语音系统对景区特点进行介绍，还可以和游客进行其他简单的语音交流；由主控机命令进入该模式下时，导引机器人只完成由一景点到另一景点的位置移动。移动过程中，导引机器人系统在基于ARM平台的运动控制系统和以梯形区域避障算法为核心的双目立体视觉系统下完成由当前景点到目标景点的漫游控制和避障控制。其移动过程中的路径规划是从由前期主控机通过双目立体视觉系统遥控导引机器人做全景区路径遍历所建立的景区路径数据库中调用。

主控机的信息综合与机器人遥控调度：

导引机器人在静态和动态引导模式下都可以与主控机进行信息交流，主控机也可以在任何时候对两种模式下工作的机器人进行遥控控制。主控机通过静态引导模式下工作的导引机器人所完成的游客流量统计数据对景区不同景点的机器人数量进行调配，导引服务需求量大的景点可配置多个导引机器人，主控机可下达命令使机器人完成不同景点之间的移动；主控机还可以根据不同景点游客流量数据完成最优游览路线规划，合理分配不同景点游客流量，避免某景点出现高峰游客接待量，并且把对不同景点所规划的游览路线共享至该景点的导引机器人，以方便游客查询。

Claims (8)

1.一种导引机器人系统，其特征在于，包括：

可以采集视频图像并对采集到的视频图像进行处理，计算出障碍物的位置的视频信息采集模块，将文字转化为语音的输出并由扬声器实现机器人的发声的音频信息模块，导引机器人的漫游控制和避障控制的运动控制模块，实现与主控机之间的无线通信的无线通信模块以及为上述各模块提供电源的电源管理模块。

2.根据权利要求1所述的导引机器人系统，其特征在于，所述视频信息采集模块包括摄像头、视频解码器以及DSP处理器，所述摄像头通过视频解码器与DSP处理器相连。

3.根据权利要求1所述的导引机器人系统，其特征在于，所述音频信息模块包括微控制器、Flash存储器、D/A转换器和功率放大器，所述Flash存储器与微控制器相连，所述微控制器通过D/A转换器与功率放大器相连。

4.根据权利要求1所述的导引机器人系统，其特征在于，所述运动控制模块包括电机以及电机控制电路。

5.根据权利要求4所述的导引机器人系统，其特征在于，所述电机控制电路包括光电隔离器、电压比较器、电机驱动控制芯片及外围电路、光电编码盘和霍尔电流传感器，由ARM定时器产生的PWM波经过光电隔离器隔离后输入电压比较器与控制芯片提供的安全保护电压比较后输入到控制芯片的PWM发生器，控制芯片与电机相连，所述电机内置霍尔位置传感器并与光电编码盘相连。

6.根据权利要求5所述的导引机器人系统，其特征在于，所述电机为直流无刷电机。

7.根据权利要求1所述的导引机器人系统，其特征在于，所述无线通信模块为WIFI模块。

8.根据权利要求2所述的导引机器人系统，其特征在于，所述摄像头为两个。

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