帶語音控制的多功能無線監(jiān)控輪式機(jī)器人

　　一、項(xiàng)目情況

　　(一)總論

　　⒈項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　項(xiàng)目由來：

　　對(duì)輪式機(jī)器人的研究，可以追溯到智能小車的發(fā)展歷程，其實(shí)一個(gè)功能完備的輪式機(jī)器人，在本質(zhì)上就是一臺(tái)智能小車，因此對(duì)本文中的出現(xiàn)的智能小車，也代表輪式機(jī)器人。下面我們來回顧一下智能小車的發(fā)展歷史。

　　2004年1月3日和1月24日，肩負(fù)著人類探測(cè)火星使命的“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別在火星不同區(qū)域著陸，并于2004年4月5日和2004年4月26日相繼通過所有“考核標(biāo)準(zhǔn)”。美國(guó)宇航局的孿生火星車探測(cè)計(jì)劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國(guó)宇航局科學(xué)家和工程師事先設(shè)立了一系列硬指標(biāo)，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測(cè)計(jì)劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個(gè)火星日(約相當(dāng)于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號(hào)是迄今美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。“勇氣”號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身。火星車能夠在火星上自主行駛;當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛;在檢測(cè)到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會(huì)去尋找可能的最佳路徑。

　　類似火星車，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機(jī)器人，它通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改智能小車的計(jì)算機(jī)程序來改變它的行駛方式。因此，智能小車具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。與智能小車不同的是：遙控小車需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車;

　　智能小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自主行駛等功能于一身的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。它最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。

　　由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中大多數(shù)惡劣環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境中仍采用的人工的操作方式，這促使了我們對(duì)智能車的研究和開發(fā)。它在各個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景：如在工業(yè)生產(chǎn)中，可以代替人類完成惡劣環(huán)境下的貨物搬運(yùn)、設(shè)備檢測(cè)等任務(wù);在軍事上，可以在危險(xiǎn)地帶代替人類完成偵察、排雷等任務(wù);在民用上，可以作為導(dǎo)盲車為盲人提供幫助;在科學(xué)研究方面，可以代替人類完成外星球勘探或者一礦藏勘探等。智能車按照工作環(huán)境下要分為室外智能車和室內(nèi)智能車兩種，這兩種環(huán)境有著較大的區(qū)別。室外環(huán)境一般較開闊，受光照、天氣、時(shí)間等的影響，環(huán)境變化很大，既包括簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化環(huán)境也包括復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。室外自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航一般要求更高的智能。室內(nèi)環(huán)境一般較狹窄，光線較穩(wěn)定且環(huán)境復(fù)雜程度有限，一般視作結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　智能小車和智能車輛的研究是息息相關(guān)的，我們可以將智能小車看成是智能車輛的模型，對(duì)智能小車的研究，其應(yīng)用的很大一個(gè)方面便是在智能車輛行業(yè)。下面我們就來了解一下國(guó)內(nèi)外對(duì)智能車輛的研究歷史。

　　1、國(guó)外智能車輛的研究

　　智能車輛的研究始于20世紀(jì)50年代初，美國(guó)BarrettElectronics公司開發(fā)出了世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVs)。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder一Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國(guó)家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。

　　在世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多的研究機(jī)構(gòu)正在研發(fā)智能車輛，其中具有代表性的智能車輛包括:

　　意大利MOB一LAB的研究：MOB一LAB是開放“移動(dòng)試驗(yàn)室”的代名詞，后來用于研發(fā)車載實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來檢測(cè)車道軌跡，實(shí)現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB~LAB有以下主要特點(diǎn):車輛前后裝備彩色攝像機(jī)，用來檢測(cè)車輛外部環(huán)境;兩個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理器(利用相應(yīng)算法結(jié)構(gòu)，以200ms一幅圖像速度分析圖像);4個(gè)車載傳感器來測(cè)量橫向和縱向車輛加速度;在車輛左右側(cè)安裝的毫米波雷達(dá)感知道路左右兩側(cè)環(huán)境;兩個(gè)PC處理器處理雷達(dá)和其他融合的傳感器數(shù)據(jù);

　　美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的研究：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯(cuò)誤檢測(cè)技術(shù):基于視覺的系統(tǒng);雷達(dá)系統(tǒng)(檢測(cè)與車道的橫向位置);激光掃描測(cè)距器(障礙物檢測(cè));其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)。利用一臺(tái)安裝在后視鏡處的CCD攝像機(jī)，位置要盡可能高，車道檢測(cè)系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設(shè)道路是水平地，并且有連續(xù)或點(diǎn)化的車道標(biāo)志線。前幾幀檢測(cè)的車道標(biāo)志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點(diǎn)區(qū)域，以簡(jiǎn)化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲(chǔ)，如道路消失點(diǎn)或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計(jì)算車道標(biāo)志線的參考，最后為了處理點(diǎn)劃車道線，可以通過一階多項(xiàng)式曲線來擬合，在進(jìn)行向量計(jì)算。如果檢測(cè)到左右車道標(biāo)志線，就可以利用左右標(biāo)志線來估計(jì)車道中心線;否則也可以利用估計(jì)的車道寬度及相關(guān)可視標(biāo)志來估算中心線。

　　另外，斯特拉斯堡(Strasbourg)試驗(yàn)中心、英國(guó)國(guó)防部門的研究、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國(guó)麻省理工學(xué)院、韓國(guó)理工大學(xué)對(duì)智能車輛也有較多的研究。