熊 英 黃亞輝 石英春湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 湖南長(zhǎng)沙 410200

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智能家居機(jī)器人仿真教學(xué)平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

熊 英 黃亞輝 石英春
湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 湖南長(zhǎng)沙 410200

摘 要：經(jīng)過充分調(diào)研，根據(jù)我國(guó)大多數(shù)智能家居機(jī)器人的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了典型的家居機(jī)器人模型，開發(fā)成功了智能家居機(jī)器人仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，為學(xué)生提供了一個(gè)接近于真實(shí)環(huán)境更有利于教學(xué)培訓(xùn)的平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)用之后取得了優(yōu)異的成績(jī)。

關(guān)鍵詞：智能家居機(jī)器人；仿真；教學(xué)平臺(tái)

智能家居機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或者全自動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人，主要從事非生產(chǎn)類的活動(dòng)，它能幫助人們省時(shí)省力地完成服務(wù)工作。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家里，智能清潔機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地用于家庭、辦公室、機(jī)場(chǎng)等室內(nèi)的清掃，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力和時(shí)間［1］。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人學(xué)習(xí)，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)成本與場(chǎng)所的限制，存在以下不足。（1）學(xué)生不易見到真正的應(yīng)用型機(jī)器人，特別是一些服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)急操作在日常生產(chǎn)中很少出現(xiàn)，而這些對(duì)學(xué)生而言恰恰是非常重要的。（2）學(xué)員動(dòng)手操作機(jī)會(huì)少，更談不上操作練習(xí)，學(xué)生難于學(xué)會(huì)操作技巧。（3）學(xué)員看不到操作與相關(guān)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，難于建立理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系。仿真教學(xué)能有效地彌補(bǔ)以上不足［1，2］。

組建智能家居機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)能為高等院校的學(xué)生和教師提供一個(gè)綜合的專業(yè)機(jī)器人教育和研究平臺(tái)，能通過系統(tǒng)的方法對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、方法和手段進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測(cè)技術(shù)與傳感器等課程進(jìn)行融會(huì)和貫通。鼓勵(lì)學(xué)生利用學(xué)科交叉的知識(shí)，打破孤立的知識(shí)體系，不同專業(yè)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行多學(xué)科綜合性的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

目前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛普及，為仿真教學(xué)提供了良好的條件。經(jīng)過充分的調(diào)研，根據(jù)我國(guó)大多智能家居機(jī)器人的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了典型的機(jī)器人模型，成功開發(fā)了智能家居機(jī)器人仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)，為學(xué)生提供了一個(gè)接近于現(xiàn)場(chǎng)更有利于教學(xué)培訓(xùn)的平臺(tái)。

1　系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

從機(jī)器的系統(tǒng)來看，分為嵌入式控制器系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、嵌入式控制系列主要負(fù)責(zé)大量運(yùn)算和圖像視覺處理的支持和顯示，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)控制器。

圖1　機(jī)器人控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)比較底層，主要用來控制傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路主要用來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，傳感器系統(tǒng)用來感知當(dāng)前環(huán)境，這是一個(gè)完善的智能閉合控制，可以增加更多的傳感器，使機(jī)器人更加智能化，從服務(wù)機(jī)器人的功能角度來看，本服務(wù)機(jī)器人模擬了人的機(jī)器人的視覺系統(tǒng)、機(jī)器人觸覺系統(tǒng)、機(jī)器人聽覺系統(tǒng)、還具有較強(qiáng)的人機(jī)交互。

2　硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能家居機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路由以下基本單元組成［2］。

圖2　智能家居機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

電源電路：本控制板的電源系統(tǒng)比較簡(jiǎn)潔，直接采用外部電源6 V～9 V供電，通過了降壓芯片產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)所需的兩種電壓：3.3 V，5 V電壓，如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)板電源電路

底層控制電路：底層控制電路由嵌入式控制電路部分和底層驅(qū)動(dòng)控制部分組成，嵌入式控制電路部分主要負(fù)責(zé)跑操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)液晶顯示和嵌入式攝像頭等USB設(shè)備，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，底層驅(qū)動(dòng)電路部分主要是由單片機(jī)控制器和傳感器電路組成，起到傳感器的控制和邏輯判斷和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等功能，底層控制板電路如圖4所示。

傳感器電路：傳感器電路主要包括了RIR人體熱釋電模塊接口電路，IR Control紅外測(cè)距模塊，語音識(shí)別模塊電路，超聲波模塊電路接口電路，這里包括的傳感器都為成熟的模塊（如圖5所示）。

本次用于仿真教學(xué)的智能家居機(jī)器人，其控制系統(tǒng)硬件主板外觀如圖6所示［3］。

圖4　底層控制系統(tǒng)板電路

圖5　傳感器接口電路

圖6　智能家居機(jī)器人硬件主板外觀

3　應(yīng)用軟件的開發(fā)

智能家居機(jī)器嵌入式軟件系統(tǒng)是基于Raspbian Linux發(fā)行版本開發(fā)的，用戶可以在登錄后手動(dòng)啟動(dòng)桌面環(huán)境。

圖7　Raspbian啟動(dòng)示意圖

當(dāng)用戶成功登錄后，看到的仍然是無趣的命令提示符，輸入指令可以啟動(dòng)Linux桌面環(huán)境，稍后控制系統(tǒng)板的顯示屏上會(huì)展現(xiàn)一個(gè)具有美麗背景的桌面，如圖8所示。

圖8　智能控制系統(tǒng)顯示桌面

本控制系統(tǒng)采用python語言作為軟件的開發(fā)語言，其代碼非常清晰，安裝和設(shè)置運(yùn)行環(huán)境容易。尤其可以在網(wǎng)絡(luò)上一起分享代碼或共同分析、解決問題，方便學(xué)生學(xué)習(xí)。

以語音識(shí)別模塊與機(jī)器人動(dòng)作控制程序設(shè)計(jì)為例，基于語音識(shí)別模塊控制機(jī)器人動(dòng)作時(shí)，首先需要通過語音配置上位機(jī)，把需要的關(guān)鍵字讓語音識(shí)別模塊能夠認(rèn)識(shí)。一旦發(fā)出匹配的語音，語音識(shí)別模塊就會(huì)通過串口發(fā)出4個(gè)字節(jié)的匹配地址命令，底層控制板接收到4個(gè)字節(jié)的匹配信息后，來做判斷，該執(zhí)行什么樣的動(dòng)作。

4　交互模塊整體軟硬件調(diào)試結(jié)果

由于智能家居機(jī)器人系統(tǒng)較為龐大，且各個(gè)模塊都是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它們之間通過總線方式進(jìn)行通訊，這樣要完成的硬件和軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就比較多，如底層控制板、語音識(shí)別模塊以及嵌入式控制板需要硬件設(shè)計(jì)和下載程序，在對(duì)某一個(gè)模塊實(shí)施調(diào)試時(shí)，可以斷開其他模塊，從而避免操作不當(dāng)損壞了其他的模塊［4，5］。

本文以測(cè)試系統(tǒng)的傳感器為例。本系統(tǒng)通過無線藍(lán)牙鍵盤模塊，輸入數(shù)字區(qū)鍵1～9，來進(jìn)行功能的測(cè)試，標(biāo)配的控制器中無線鍵盤鼠標(biāo)是一體的，由USB接口的接收器接收［6］。軟件調(diào)試界面如圖9所示。

圖9　嵌入式控制板中傳感器測(cè)試界面

底層控制板程序流程圖如圖10所示 。

圖10　底層控制板程序流程圖

通過了多個(gè)模塊的集體測(cè)試，對(duì)于傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，是最基本的操作，如果還要搭建復(fù)雜的功能，那么對(duì)應(yīng)傳感器的思路算法要更優(yōu)越，不然還會(huì)出現(xiàn)互相干擾，或者一個(gè)傳感器不穩(wěn)定影響整個(gè)系統(tǒng)。特別注意，在編寫程序和調(diào)試的時(shí)，要保證接線的正確性和不松動(dòng)。因此可以先單個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)試，然后逐步聯(lián)合起來，從而更加容易發(fā)現(xiàn)問題來自哪個(gè)環(huán)節(jié)［7，8］。

嵌入式控制板程序流程圖如圖11所示。

圖11　嵌入式控制板程序流程圖

5　應(yīng)用效果

機(jī)器人仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)建成以來，已經(jīng)多次應(yīng)用于我校的本科教學(xué)以及對(duì)外校的教學(xué)服務(wù)，還承擔(dān)了繼續(xù)教育學(xué)院的部分培訓(xùn)工作。根據(jù)每次使用中所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，并且開發(fā)了新的功能。在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生們一致認(rèn)為該系統(tǒng)真實(shí)、直觀地反映了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。

以此仿真教學(xué)平臺(tái)為依托，學(xué)院歷屆參加的機(jī)器人類競(jìng)賽項(xiàng)目獲得省二等獎(jiǎng)以上110余項(xiàng)，取得了優(yōu)異成績(jī)，逐漸形成了以機(jī)器人競(jìng)賽為代表的品牌競(jìng)賽項(xiàng)目。2007-2010年，中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup中國(guó)公開賽、中國(guó)水中機(jī)器人大賽、全國(guó)職業(yè)院校技能競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù)、黃炎培職業(yè)教育獎(jiǎng)創(chuàng)業(yè)大賽等項(xiàng)目，一、二等獎(jiǎng)54人次。2011年4月，湖南省職業(yè)院校技能競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目，獲省一、二名，獲獎(jiǎng)學(xué)生6人次。2011年6月，全國(guó)職業(yè)院校技能競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目，獲全國(guó)一等獎(jiǎng)第一名和三等獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生6人次。2012年4月，湖南省職業(yè)院校技能競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目，獲省一、二名，獲獎(jiǎng)學(xué)生6人次。2012年6月，全國(guó)職業(yè)院校技能競(jìng)賽機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目，獲全國(guó)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生6人次。2012年11月，中國(guó)教育機(jī)器人大賽，獲全國(guó)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生9人次。2013年11月，中國(guó)教育機(jī)器人大賽，獲全國(guó)特等獎(jiǎng)2項(xiàng)，一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生12人次。2014 年11月，中國(guó)教育機(jī)器人大賽，獲全國(guó)特等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲獎(jiǎng)學(xué)生12人次。

此外學(xué)院還承辦中國(guó)教育機(jī)器人教練員培訓(xùn)（中高職）和國(guó)家級(jí)教師下企業(yè)培訓(xùn)（高職）。2013年8月10～21日，承辦中國(guó)教育機(jī)器人競(jìng)賽湖南地區(qū)第一屆教練員培訓(xùn)；2013年11月10～20日，承辦中國(guó)教育機(jī)器人競(jìng)賽湖南地區(qū)第二屆教練員培訓(xùn)。2014年7月14日至8月30日，承辦國(guó)家教育部職業(yè)院校骨干教師國(guó)家級(jí)培訓(xùn)項(xiàng)目——高職電子信息工程技術(shù)專業(yè)教師下企業(yè)培訓(xùn)項(xiàng)目（工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用），合作企業(yè)：長(zhǎng)沙長(zhǎng)泰機(jī)器人公司、湖南科瑞特科技股份有限公司［9，10］。

6　結(jié)束語

家居機(jī)器人仿真教學(xué)系統(tǒng)受到了教師和學(xué)生的普遍歡迎，近年來這套仿真教學(xué)系統(tǒng)已成功向多家高校轉(zhuǎn)讓。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，仿真教學(xué)的手段也將不斷地發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒂訌V泛，它的安全、高效的優(yōu)勢(shì)將在機(jī)器人行業(yè)中發(fā)揮重大的作用。

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Design and Implementation of the Simulation Teaching System of Smart Home Robot

Xiong Ying， Huang Yahui， Shi Yingchun
Departiment of Engineering ， Hunan College of Information， Changsha， 410200， China

Abstract:After full investigation and according to the characteristics of most of the smart home robots ， a typical home robot model was designed and then a simulation training system was developed in teaching， which was close to the real working condition and provided students with a practice platform.

Key words:smart home robot； simulation； training system

收稿日期：2015-10-19

作者簡(jiǎn)介：熊英，碩士，助教。黃亞輝，本科，助教。

基金項(xiàng)目：2014年度湖南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目“語音交互式智能家居清潔機(jī)器人仿真平臺(tái)的研究”（編號(hào)：14C0827）。