智能物联机器人系统的研究

吴永琢

WU Yong-zhuo

(青岛酒店管理职业技术学院，青岛 266100 )

0 引言

随着科学技术的发展， 自1990年IBM提出的“智慧地球”概念，在全球范围内掀起了全新的IOT研究的狂潮，物联网技术发展的时代随之而来，物联网主要分为三个层次，即：感知层、网络层、应用层。感知层主要采用各种传感器技术来获取各种物体信息和环境信息，通过现有的IPV4或云网络技术将信息传递至服务端及应用开发端，根据相关信息开发出服务于人类的各种应用软件，比如智能电网、智能家居、智能医疗等。应用最广泛的是通过射频信号采集编码信息，实时跟踪物体去向和发源地查询等，但物联网技术的应用在很大程度上无法实现智能控制和移动，因此与机器人技术相结合，实现物联网机器人，打造更智能的机器人终端，服务于各行各业，可拓展至工业、医疗、电力等。

机器人作为移动终端集成物联网感知层技术应用，通过机器人的智能分析和控制，采用无线网络方式将信息传递应用层，实现信息一体式管理和应用，机器人作为智能控制的核心象征，其具有控制、机械、算法为特征的研究成果，必然将与物联网相结合，物品查询、工业制造、医疗保健都将与物联网机器人相结合，创造人类历史上的又一突破，实现移动式物物联网，真正实现物联网融入生活和生产，服务于人类。

1 系统概述

本系统在设计上采用了ARM和蓝牙技术以及各种环境传感器，可语音控制机器人，通过机器人可监控任何一个处于可监控范围的情况。系统设计的物联机器人可应用于家庭、工厂等。其硬件设计上采用了ARM9，即三星公司生产的S3C6410，其采用了64/32位内部总线架构；包括许多强大的硬件加速器，像视频处理，音频处理，二维图形，显示操作和缩放；拥有一个优化的接口连线到外部存储器。存储器系统具有双重外部存储器端口等优点。软件上以实现语音、自动充电、蓝牙和图像为主，通过环境信息的采集和分析，实现家庭控制、环境监控等功能。

系统具备了家庭教育、移动定位、环境监控、生活助理等应用功能。也可采用的前沿科技技术，使物联机器人可拓展具有娱乐、服务、移动互联等功能。系统设计主要分为软件系统和硬件系统以及机械设计三个部分。 系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

本系统主要分为五层，其中应用层在本文中没有涉及，根据物联机器人所预留的功能端口可实现应用拓展，当然本文主要设计的是蓝牙通讯模块对物联机器人的控制，其次通过各种传感器的应用，实现各种信息的采集和分析，实现物联家居、移动机器人。

本文研究的物联机器人主要应用于家庭服务，可与智能家居相结合，可实现家庭教育和娱乐，家庭监控、安全监测报警等功能。

2 系统软硬件设计

本文设计的物联机器人系统硬件部分主要以ARM控制为主，并根据功能增加了外围电路。系统硬件主要组成包括：核心控制模块、无线蓝牙通讯模块、自动充电模块、语音模块以及多传感器模块等。

系统硬件结构如图2所示：

图3 软件流程框架设计图

图2和图3是本系统中的硬件设计框架图和软件设计流程框架图，针对硬件主要包括以上6大模块，也是物联机器人的核心处理模块，而软件设计上是在硬件平台的基础上进行分析判断的程序编写，本系统是基于C语言进行编辑，完成各种家庭服务和智能家居的应用。

2.1 核心控制模块

本系统核心控制模块的核心处理器采用的是三星公司生产的S3C6410，具有64位内部总线架构。芯片内部集成了硬件加速器，具有高速处理数据功能，完成音频、视频等数据的处理。此芯片具有丰富的硬件拓展接口，并集成了内部存储器，方便了代码和数据信息的存储。支持各种驱动和音视频编码操作，也支持外接存储器，实现空间拓展。本系统选择此款芯片具有高速、高效、低功耗、可靠等特性。

2.2 无线蓝牙通讯模块

蓝牙作为短途通讯的有效通讯模式被全球各大行业广泛应用，随着技术的发展，蓝牙技术不断完善，实现2.4GHz，1Mbps数据传输速率，并实现了全双工通讯模式，经过各行业对蓝牙通讯的应用验证，蓝牙技术具有稳定、安全和抗干扰能力强等特点。

本系统的硬件实体主要分为三层，感知层、网络层和应用层，机器人感知层主要集成了各种传感器、信号放大器、A/D转化器等。通过采集各种数据信息通过蓝牙通讯方式将数据传输至PC端进行数据分析和应用。

2.3 行为执行模块

驱动电路部分主要采用L298N，其可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。机器人采用四轮驱动方式，分别由四个直流电机控制，这四个直流电机通过L形支架分别固定在机器人躯体的两侧，通过控制这两个直流电机的正反转，能够完成向前直走、向后直走、并且左右转弯、原地打转这些平地的技术动作。

2.4 语音模块

本系统的语音模块主要采用的是凌阳16位微处理器芯片SPCE061A为核心,SPCE061A有一路专用于语音信号采集的A/D转换电路(MIC输入)，在系统核心板上设计了一路语音输入，这样就方便机器人采集人发出的声音，其外围电路简单，通过简单的滤波电路就可以实现语音的录入，在声音录入终端采用了柱状话筒。在软件设计上SPCE061A核心芯片的语音内存必须预先设定声音才可以与其互动，初期系统设计上采用了10条对话语句，在机器人形成后需通过语音对其机器人进行训练，然后通过代码进行比对输入的声源是否符合预先设定的，符合则采取相应的动作，否则不执行。此种语音模块，可实现简单的语音识别功能，实现人机交互功能，完成机器人语音对话。并且此种模块技术实现上比较容易，易普及和拓展，用户也可以根据不同的环境进行语音训练进行改变机器人动作和反应。软件实现流程如图4所示。

图4 语音实现流程图

2.5 自动充电模块

物联机器人在运动或完成任务过程中是不断的消耗自身的电力，但大部分客户在使用此类机器人时往往无法及时或按时给机器人充电，导致电池损坏。如何实现机器人自动充电是本系统实现的一个特点，本系统在硬件设计采用了低电压检测环节，当机器人运行过程中出现电源电压低于预先设定的电压值，机器人将按一定的方式寻找充电站，实现自动充电。充电完成后会自动驶向待命区，全部过程实现智能化，自动化。

通过研究和实验，在机器人充电方面选择了感应充电，此种充电是一种利用电磁感应原理通过非接触的耦合方式进行能量传递的充电方式，充电方式合理，而且快速，易实现自动充电功能。系统结构如图5所示。

图5 自动充电原理图

此种充电方式采用无接触式充电，交流电输入充电座后经过整流和滤波，形成稳定的交流电，再经过谐振逆变器对电流进行逆变，完成交流到直流的转变，再通过感应耦合将电流传输到机器人电池输入接口处，在机器人电池充电为保证电池平稳充电也加入了整流滤波电路，完成机器人五接触式能量传输。通过此种方式充电保证机器人充电过程的安全可靠，无须人工安全，降低了危险性。

物联机器人应用于家庭或者特定环境中，如何进行充电站的寻找是设计的难道，机器人在电源电压低于门槛电压时，机器人可采用两种方式进行寻找，一为机器人按延墙走的方式，另一种是以无限发射和接收的方式进行空间定位。本系统采用的为第二种，在机器人移动过程中将机器人看成为一个质点，不考虑机器人再接近充电座的姿势，当机器人接近充电座时通过红外传感器向三个方向进行搜索定位，并结合市场上现有的成熟传感器进行应用，即避障和距离传感器，实现远程和近程机器人应用。物联机器人安装了两种情况下的传感器，对接充电座时准确可靠。软件实现流程图如图6所示。

图6 自动充电软件流程图

在未知环境中要找到充电座相对比较难，因此在设计充电座时，将带有特有标识，方便机器人在近距离的过程中可以快速准确找到充电座，实现充电功能，完成充电后，自动脱离充电座，到底制定距离的位置等待任务，超过10分钟机器人将自动进入睡眠状态，保存能量，实现智能电力管理。

2.6 传感器模块

本系统可实现家庭环境监测，实现安全管理，集成了气体含量检测传感器，避障传感器、红外传感器、加速度传感器、光电传感器、环境传感器、摄像头等机器人控制用传感器，通过机器人具有的摄像头可通过蓝牙通信实时传输图像至手机，方便用户监测家庭状况，实现智能监控的功能。同时物联机器人在地盘上安装了七个地面灰度传感器，实现夜间固定路线巡查并可实时监测空气中的甲醛、SO2等气体的含量，达到一定量时将自动提醒用户，实现机器人的智能家居功能。

3 结论

随着物联网和机器人技术的不断更新，技术的结合程度将越来越高，本文根据发展趋势搭建了一款具有家居智能的物联机器人系统。实现了家庭教育、人机对话、环境监测和管理以及系统本身的自动充电功能，真正实现了物联网技术与机器人技术的结合，符合物联网中的智能家居的发展方向。本系统在设计上预留了拓展接口，可根据研究需求进行二次开发，可进一步实现无线网络通信功能，人机界面的开发。使物联机器人真正达到智能，服务于人类。

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