一種具有娛樂和安防功能的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

摘 要：主要介紹了一種具有娛樂功能和安防功能的智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，該方案以英飛凌16 位單片機(jī)XE162FN 為核心，并且通過藍(lán)牙以及全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM,Global System for MobileCommunications）方式實(shí)現(xiàn)無線通訊，包含娛樂和安防兩大主要功能。娛樂方面可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多方式遙控、智能跟隨、移動(dòng)中避障、彩燈隨拍手頻率閃爍、音樂播放等功能；安防方面可以實(shí)現(xiàn)檢測家中煤氣泄露或者火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙霧，并發(fā)出本地聲光報(bào)警以及通過GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警短信給指定手機(jī)號碼的功能。

　　0 引言

　　隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是消費(fèi)電子領(lǐng)域都已經(jīng)扮演了非常重要的角色，已成為人工智能研究和發(fā)展的熱點(diǎn)之一。在語音控制機(jī)器人領(lǐng)域，有研究表明已成功地將連續(xù)隱馬爾可夫模型（ CHMM,Centrifugal Pump based onContinuous Hidden Markov Model）模型應(yīng)用于定點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP, Digital Signal Processor）上，并實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的語音控制。關(guān)于傳感測距方面，使用多傳感器快速測量智能機(jī)器人與障礙物之間距離的方法，使機(jī)器人不僅具備語音識別功能，而且能實(shí)現(xiàn)智能避障。而關(guān)于家用室內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用也有相關(guān)研究，文獻(xiàn)[4]探究了一種通用并有效的智能移動(dòng)機(jī)器人嵌入式控制平臺，并設(shè)計(jì)了一套能滿足要求的低成本的機(jī)器人定位系統(tǒng)以及自動(dòng)充電系統(tǒng)。這里設(shè)計(jì)的移動(dòng)音樂機(jī)器人即屬于智能機(jī)器人范疇，該音樂機(jī)器人集多種功能于一體，不但有陪人玩耍的娛樂功能還有保護(hù)家庭安全的安防功能。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　該移動(dòng)音樂機(jī)器人以英飛凌16 位單片機(jī)XE162FN 處理器為核心，英飛凌開發(fā)的16/32 位微控制器具有高度系統(tǒng)集成、無需外設(shè)附加器件及相關(guān)軟件開銷、提供系統(tǒng)安全和故障保護(hù)機(jī)制等功能。藍(lán)牙（Blue tooth）是一種全球開放性的、低成本的無線通信規(guī)范。另外，由于藍(lán)牙具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了藍(lán)牙無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)主體為一輪式移動(dòng)小車機(jī)器人，擁有跟隨主人行走、播放音樂、遙控運(yùn)行、彩燈隨拍手頻率閃爍以及家庭安防等多項(xiàng)功能。機(jī)器人的移動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，跟隨主人行走的功能由紅外發(fā)射與接收來判斷主人手中的手持設(shè)備和移動(dòng)音樂機(jī)器人之間的方位，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人跟隨主人行走。無線遙控運(yùn)行由藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)。在安防功能上，該移動(dòng)音樂機(jī)器人配備了典型的用于檢測火災(zāi)的煙霧傳感器，并且如果檢測到有煙霧或者煤氣泄露時(shí)，本地聲音報(bào)警以及通過GSM 無線網(wǎng)絡(luò)控制短信發(fā)送模塊發(fā)送報(bào)警短信給指定的手機(jī)號碼。GSM 網(wǎng)絡(luò)是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、業(yè)務(wù)種類齊全、信號穩(wěn)定性強(qiáng)、具有較高的保密性和安全性以及靈活的切換處理和自動(dòng)漫游功能等眾多優(yōu)點(diǎn)。在手持設(shè)備的設(shè)計(jì)上，配備了一塊320*240 的觸摸屏以實(shí)現(xiàn)直觀方便的無按鍵遙控控制，以及一個(gè)加速度傳感器感知傾斜角度從而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。綜上所述，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人部分結(jié)構(gòu)框

圖2 系統(tǒng)手持設(shè)備部分結(jié)構(gòu)框

　　系統(tǒng)的各部分之間的數(shù)據(jù)通訊如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)各部分間的通訊

2 硬件設(shè)計(jì)

　　由于系統(tǒng)的功能較多，硬件部分則主要介紹一些關(guān)鍵部分的硬件設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)的智能跟隨功能是通過紅外實(shí)現(xiàn)的，音樂機(jī)器人上的紅外接收器感知到紅外線時(shí)，會追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時(shí)，會原地旋轉(zhuǎn)重新搜索紅外發(fā)射源，直至重新定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個(gè)紅外發(fā)射管組成，將10 個(gè)紅外發(fā)射管均勻擺放在一個(gè)球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線，保證音樂機(jī)器人更加快速準(zhǔn)確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個(gè)普通I/O 引腳，控制紅外線的通斷，即接通4 ms,然后關(guān)斷11 ms,反復(fù)進(jìn)行接通與關(guān)斷。10.3 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。

　　紅外接收裝置采用2 個(gè)紅外接收器1838,分別安裝在音樂機(jī)器人的頭部和尾部。兩個(gè)接收器的輸出引腳分別連接單片機(jī)的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發(fā)射源的方位，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向紅外發(fā)射源的方向前進(jìn)。

圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路

　　拍手彩燈功能的實(shí)現(xiàn)主要分為拍手信號的捕獲和彩燈的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)亮，彩燈的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)亮較為簡單，但拍手信號捕獲上由于拍手產(chǎn)生的信號不是標(biāo)準(zhǔn)的階躍信號，當(dāng)用示波器進(jìn)行波形的觀察時(shí)，實(shí)際上波形在上升沿和下降沿的地方出現(xiàn)比較多的毛刺，也就是說一次拍手信號產(chǎn)生了多次階躍信號。如果單片機(jī)記錄2 次上升沿的時(shí)間間隔時(shí)，由于毛刺的存在，使得單片機(jī)錯(cuò)誤的將毛刺當(dāng)做上升沿而捕捉，造成兩次上升沿的時(shí)間間隔的變小。解決的辦法是利用包絡(luò)檢測電路進(jìn)行包絡(luò)檢測，再通過電壓比較器選取合適的比較電壓值，從而產(chǎn)生比較理想的階躍信號，即一次拍手產(chǎn)生一次階躍信號。

　　電路利用麥克風(fēng)采集聲音信號，然后利用LM324 對采集來的信號進(jìn)行比例放大，放大的比例為100 倍，然后接過兩個(gè)1N5819 和一個(gè)104 獨(dú)石電容進(jìn)行包絡(luò)線檢測，最后利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。

　　機(jī)器人的移動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，即控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用SGS 公司的L298N,內(nèi)部有4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。用三極管組成H 型平衡橋，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。同時(shí)H 型PWM 電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。

圖5 拍手信號捕獲電路

電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于3 個(gè)因素：負(fù)載、電壓和電流。對于一個(gè)給定的負(fù)載，可以通過脈沖寬度調(diào)制的方法來使電機(jī)保持穩(wěn)定的速度。通過改變施加在直流電機(jī)上的脈沖寬度，可以增加或減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整脈沖寬度，即改變占空比，調(diào)整電機(jī)的速度。驅(qū)動(dòng)板采用6 個(gè)高速光耦6N137 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路之間的相互干擾。驅(qū)動(dòng)板的電路原理圖如圖6 所示。

圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　通過軟件編程可以自由改變單片機(jī)兩路PWM脈沖信號的占空比，電機(jī)的A 端連接PWM 脈沖信號，電機(jī)的B 端連接單片機(jī)的一個(gè)I/O 引腳。當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置1 時(shí)，電流從電機(jī)的B 端流向電機(jī)的A 端；當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置0 時(shí)，電流從電機(jī)的A 端流向電機(jī)的B 端，這樣電機(jī)就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)控制PWM 脈沖信號的占空比值還可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。通過I/O引腳控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的示意圖如圖7 所示。

圖7 I/O 引腳控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)示意

3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)以及單片機(jī)的編程。如圖8 所示，即為用VB 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上位機(jī)控制界面，就串口開發(fā)而言，VB 提供了串口通信控件MSComm,通過對此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)串口通信。

圖8 上位機(jī)控制界面

　　單片機(jī)的編程則包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)編程、音樂播放編程、藍(lán)牙收發(fā)編程等，這里截取電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分程序?yàn)槔?，如下所示?/P>

　　4 結(jié)語

　　這里介紹了基于英飛凌16 位單片機(jī)XE162FN的多功能智能機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于將智能機(jī)器人的娛樂功能和實(shí)用的安防功能相結(jié)合，有人在家時(shí)，它是一個(gè)功能強(qiáng)大互動(dòng)性強(qiáng)的玩具，無人在家時(shí)它是家中衛(wèi)士，時(shí)刻監(jiān)控家中情況，并且可以通過短信方式報(bào)告。