基于磁導(dǎo)航導(dǎo)覽機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計?

許 鑫 潘崢嶸 張 寧

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

隨著社會的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人已經(jīng)逐漸進(jìn)入到日常生活中的各個領(lǐng)域，比如清潔、醫(yī)療、導(dǎo)游等［1］。特別是在公共服務(wù)場所，研究導(dǎo)覽機(jī)器人有重大理論價值及現(xiàn)實意義。當(dāng)前公共服務(wù)場所的導(dǎo)覽工作主要由人工服務(wù)，工作效率低，人力資源消耗大。在展覽館、博物館等需要引導(dǎo)人們參觀，給人們講解內(nèi)容的公共服務(wù)場所，導(dǎo)覽機(jī)器人應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)的已經(jīng)相當(dāng)成熟的工業(yè)機(jī)器人相比較，導(dǎo)覽機(jī)器人因更加貼近人們?nèi)粘Ｉ睿?］。導(dǎo)覽機(jī)器人能夠代替或輔助人工做咨詢、導(dǎo)覽等工作，實現(xiàn)人力向高端工作的轉(zhuǎn)移，做到機(jī)器人以人為本。

考慮到應(yīng)用于博物館、科技館等公共服務(wù)場所，人流量大，光線不確定，采用攝像頭導(dǎo)航的方式受影響較大；而采用激光雷達(dá)進(jìn)行地圖構(gòu)建也受人流影響。綜上所述，對導(dǎo)覽機(jī)器人的導(dǎo)航方式采用磁導(dǎo)航。磁導(dǎo)航不會受到光線、人群等影響，抗干擾能力相對于其他導(dǎo)航方式優(yōu)異，而且穩(wěn)定性和可靠性良好，適合上述場所的導(dǎo)覽工作［3］。

導(dǎo)覽機(jī)器人在工作時全程需要語音交互，本設(shè)計擬采用科大訊飛語音交互模塊。科大訊飛語音交互技術(shù)比較成熟，適合導(dǎo)覽工作中頻繁的語音交互和語音講解工作，同時針對一些特殊展館，有保密要求的情況，同時也采用離線語音模塊。

2 導(dǎo)覽機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的導(dǎo)覽機(jī)器人采用六輪結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，中間兩輪為導(dǎo)覽機(jī)器人的驅(qū)動輪，與之相連的為直流無刷電機(jī)，四個萬向輪以兩輪一組分別位于前后。這種六輪結(jié)構(gòu)不僅滿足了導(dǎo)覽機(jī)器人本身的承重能力，而且加強(qiáng)了穩(wěn)定性和靈活性。在底盤上安裝有磁導(dǎo)航傳感器、RFID 標(biāo)簽閱讀器、超聲波傳感器以及無刷直流電機(jī)。磁導(dǎo)航傳感器位于導(dǎo)覽機(jī)器人行進(jìn)方向上的前端，與前方的兩個萬向輪平齊。RFID 標(biāo)簽閱讀器位于磁導(dǎo)航傳感器與驅(qū)動輪之間的位置。綜合考量后，采用這種六輪底盤的設(shè)計［4～5］。

圖1 底盤結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 傳感器的選用

該導(dǎo)覽機(jī)器人采用的磁導(dǎo)航傳感器模塊型號為AGS-08N，此傳感器集合了高靈敏度半導(dǎo)體霍爾傳感器，工業(yè)級三防設(shè)計，寬電壓、低功耗，并且兼容多種同規(guī)格產(chǎn)品。其識別范圍在距離磁帶垂直距離20mm～40mm，共有8 個檢測點，間距為10mm。設(shè)計的導(dǎo)覽軌跡磁帶寬度為30mm，所以其優(yōu)點和良好的產(chǎn)品特性滿足導(dǎo)覽機(jī)器人工作的基本要求。綜合考慮美觀與實用性，采用30mm 寬的N 極磁條。根據(jù)場館的講解路線和距離展覽物的距離，設(shè)計出磁帶的鋪設(shè)方式，確保磁帶之間沒有干擾，盡量單向鋪設(shè)磁帶，避免磁帶并行或交叉。

避障模塊采用的方案是超聲波，超聲波相比較于激光雷達(dá)、紅外等避障傳感器，具有性價比高，無光等優(yōu)勢。本文采用3 個超聲波模塊集合為一組，有120°的檢測范圍，使用三組超聲波模塊來實現(xiàn)360°范圍的監(jiān)測。每組傳感器都有三檔距離檢測和四種工作狀態(tài)。傳感器同樣采用工業(yè)級設(shè)計，采用寬電壓、低功耗的方案。其多種工作狀態(tài)能夠滿足導(dǎo)覽機(jī)器人在工作中時對不同距離反應(yīng)不同工作狀態(tài)的要求［6］。

由于導(dǎo)覽機(jī)器人應(yīng)用于科技館、博物館等場所，面向的對象會有許多兒童，所以在導(dǎo)覽工作時除了必要的講解工作之外，也同時要具備一定的趣味性互動，寓教于樂更能體現(xiàn)替代人工服務(wù)的優(yōu)勢。語音交互方面擬采用科大訊飛的語音技術(shù)，使用科大訊飛的語音交互模塊（帶有WiFi 模塊），全程聯(lián)網(wǎng)，通過云平臺來實現(xiàn)實時的語音交互。所使用的離線語音模塊通過自建本地庫來完成講解工作的語音需求（斷網(wǎng)狀態(tài)下）。

為防止實際應(yīng)用時磁帶對電子羅盤產(chǎn)生的影響，故姿態(tài)確定采用MPU6050 模塊采集數(shù)據(jù)并計算出導(dǎo)覽機(jī)器人的角度位置，確定導(dǎo)覽機(jī)器人前進(jìn)的方向，以便及時調(diào)整。通過光電編碼器計算當(dāng)前導(dǎo)覽機(jī)器人的速度，將速度值反饋給主控制器，進(jìn)行對導(dǎo)覽機(jī)器人速度的控制［7～8］。

3.2 主控器的選用與標(biāo)簽的使用

綜合成本與實用性的考慮，導(dǎo)覽機(jī)器人擬采用以STM32F407VET6 為核心的控制器，STM32F407 VET6 工作頻率達(dá)168MHz，有豐富的IO 接口，USART 串口，IIC、CAN 等總線資源，無論是對現(xiàn)有的導(dǎo)覽機(jī)器人進(jìn)行控制，還是今后對其升級，其所具有的資源完全滿足。

RFID 標(biāo)簽設(shè)計攜帶有三種信息，分別為轉(zhuǎn)彎信息、站點信息、減速信息。轉(zhuǎn)彎信息分為左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，當(dāng)RFID閱讀器讀取到轉(zhuǎn)彎信息時，導(dǎo)覽機(jī)器人就會做出相應(yīng)的動作（左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)），然后再繼續(xù)循磁運動；站點信息就是在需要講解的地方設(shè)置一個標(biāo)簽，讀取到這個標(biāo)簽時導(dǎo)覽機(jī)器人會停止運動，對展覽物進(jìn)行講解，或者是起點終點的標(biāo)志；減速信息指的是為了保證能準(zhǔn)確讀取到站點信息標(biāo)簽而設(shè)置的，降低機(jī)器人的運行速度，保證其準(zhǔn)確識別到站點信息［9～10］。

4 軟件設(shè)計

4.1 初始化

當(dāng)導(dǎo)覽機(jī)器人啟動時，會自動檢測是否有磁條，識別讀取RFID 標(biāo)簽。在起點處會設(shè)置一個起點標(biāo)簽，讀取到標(biāo)簽后導(dǎo)覽機(jī)器人會有一個語音初始化，延時3s后開始工作［11］。

4.2 運動行為

運動行為有以下幾種情況：

1）直奔目標(biāo)行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時，傳感器檢測到前方無任何障礙物阻擋，那么可以直奔目標(biāo)運行。

圖2 初始化流程圖

2）直接避障行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時，傳感器檢測到前方有障礙物，為了避免發(fā)生碰撞，減速慢行直至停下等到障礙物離開后繼續(xù)運行；

3）緊急避障行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時，當(dāng)檢測到障礙物距離導(dǎo)覽機(jī)器人非常近時，立刻停止運動，直到障礙物離開后繼續(xù)運行；

4）轉(zhuǎn)彎行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時，讀取到RFID 標(biāo)簽中轉(zhuǎn)彎的信息時，會根據(jù)標(biāo)簽中的信息作出左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的行為；

5）駐停行為：導(dǎo)覽機(jī)器人在前進(jìn)時，讀取到RFID 標(biāo)簽中站點信息時，會立刻停下，開始語音講解展覽物，講解完畢后再繼續(xù)運行［12］。

4.3 RFID標(biāo)簽的識別

RFID 閱讀器是在導(dǎo)覽機(jī)器人初始化后立刻進(jìn)行工作的，如圖3 所示，檢測是否讀取到標(biāo)簽信息，比如起點的站點信息標(biāo)簽。

圖3 RFID標(biāo)簽讀取流程圖

4.4 語音交互

語音交互以科大訊飛的模塊為主，通過WiFi全程聯(lián)網(wǎng)。達(dá)到實時語音交互的目的。同時也采用了離線語音模塊作為無網(wǎng)絡(luò)條件下的講解。其系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 語音及交互流程圖

在被“叮咚叮咚”（可自定義喚醒詞）的語音命令激活后，可以與參觀人員等進(jìn)行語音互動，此過程中需要全程聯(lián)網(wǎng)。語音的識別與交互不僅僅針對普通話，也支持一些方言，極大地豐富了導(dǎo)覽工作。在檢測到地面上帶有講解信息的RFID 標(biāo)簽后，啟動本地離線語音庫，進(jìn)行對展覽物的講解。

4.5 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

目前，經(jīng)典PID 控制的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且廣泛應(yīng)用，但其系統(tǒng)也有局限，比如超調(diào)量大和魯棒性差等現(xiàn)象。基于模糊控制的PID 會根據(jù)設(shè)定好的模糊規(guī)則自行調(diào)整。

將偏差e 和偏差的變化率Δe 作為參數(shù)，對PID控制的三個參數(shù)比例增益P、積分增益I、微分增益D進(jìn)行模糊自整定。

其中，Kp、Ki、Kd與模糊輸出量 ΔKp、ΔKi、ΔKd的關(guān)系如下表示：

當(dāng)e 較大時，需要加大Kp以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但不得過大，否則系統(tǒng)不穩(wěn)定；取較小值Kd避免系統(tǒng)開始時引起超范圍控制。當(dāng)e 中等時，取較小的Kp使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)略小一點。當(dāng)e 較小時，可取較大的Kp、Ki以使系統(tǒng)穩(wěn)定，恰當(dāng)取值Kd以防止系統(tǒng)在平衡點附近震蕩［13～14］。

本設(shè)計采用的模糊控制器輸入量有2 個，輸出量有1 個，遂采用雙輸入單輸出Mamdani 型模糊控制器。設(shè)定e 及Δe 的基本論域均為［-6 6］，ΔKp、ΔKi、ΔKd均為［-6 6］，根據(jù)實驗和查閱資料所得專家經(jīng)驗，確定模糊規(guī)則［15］，經(jīng)過Matlab 仿真得出推理圖如圖5～7所示。

圖5 Δ Kp 推理圖

圖6 Δ Ki 推理圖

圖7 Δ Kd 推理圖

再根據(jù)之前設(shè)計的模糊控制規(guī)則通過Simulink 設(shè)計出Fuzzy Logic Controller 模糊控制器，仿真圖如圖8所示。

圖8 模糊控制器仿真圖

5 實驗仿真

將經(jīng)過模糊規(guī)則整定后的參數(shù)輸入PID 中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計Simulink仿真圖，如圖9所示。

該仿真圖對比經(jīng)典PID 控制與模糊PID 控制得出仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 仿真結(jié)果曲線圖

從仿真結(jié)果來看，PID 控制雖然能夠在相對較短時間內(nèi)達(dá)到平衡點，但其震蕩幅度過大，震蕩次數(shù)多，模糊PID 雖然調(diào)整時間稍長一點，但是整體穩(wěn)定性好。結(jié)合實際需要——在導(dǎo)覽的場館中，對導(dǎo)覽機(jī)器人調(diào)整的速度要求不是很高，但對其穩(wěn)定性要求比較高，防止導(dǎo)覽機(jī)器人因調(diào)整速度和姿態(tài)對參觀人員造成不利影響，故采用模糊PID 更適合在人多的場館之中，實驗仿真結(jié)果具有建設(shè)性。

6 結(jié)語

本文采用傳統(tǒng)磁導(dǎo)航技術(shù)與RFID 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一種在科技館、博物館等公共服務(wù)場所替代人工講解服務(wù)的導(dǎo)覽機(jī)器人。該導(dǎo)覽機(jī)器人運動控制部分使用傳統(tǒng)磁導(dǎo)航技術(shù)，通過成熟的磁導(dǎo)航傳感器，配合超聲波等其他傳感器，實現(xiàn)了在場館內(nèi)的導(dǎo)覽運行。采用RFID 技術(shù)，對需要講解的展覽物進(jìn)行精確定位識別。通過對比經(jīng)典PID控制與基于模糊控制的PID 控制，針對場景需要和服務(wù)需求，因地制宜地選擇合適方案。同時，結(jié)合語音交互技術(shù)，不僅能完成講解這一基本功能，還可以有效地與人們互動，增強(qiáng)趣味性與實用性。

該實驗尚有不足之處，還可以再豐富數(shù)據(jù)以確定更好的模糊規(guī)則，在PID 的初始參數(shù)設(shè)定和模型確定上亦可再繼續(xù)研究，可得出更好的方案。