面向指揮導航的室內機器人系統研究

吳軼凡，王國慶，苑文峰，陳 凱，王明圣，牛雨喬，姚 鴻

（長安大學 工程機械學院，西安 710064）

0 引 言

隨著大數據、云計算、人工智能等技術的日趨成熟，以及其與機器人、機械控制等領域的融合，致使智能化設備日新月異。室內服務機器人是人類智慧與科學技術的完美結合，其研究涉及機械、自動化、控制、傳感器技術、信號處理、并行計算等多方面的前沿技術。

國外關于室內機器人的研究較早，在學術成就及科技產品上都有令人矚目的成果。文獻［1］在前人研究的基礎上，通過將場景識別引入到SLAM，繼而創建了語義地圖，并將該語義地圖應用于機器人Johnny中，實現了在生成的已知室內環境地圖中的定位與導航；文獻［2］提出了室內機器人在大規模復雜環境下的一種定位導航方案，并將方案應用于商場導購機器人；文獻［3］重點研究了餐廳內機器人的移動定位問題，在雙目攝像機觀測路標定位與視覺傳感器的全局觀測定位方法相結合的基礎上，通過粒子濾波定位和立體圖像匹配方法，使得室內移動機器人更加智能化和自動化。在抗擊新型冠狀病毒的疫情中，南京第一醫院通過室內機器人，對隔離病房和發熱門診等特殊區域進行消毒，有效地減少了醫院工作人員感染的風險［4］。

本文對面向指揮的室內機器人的總體方案和控制系統進行了分析研究。方案分為二部分：總體導航方案設計和室內機器人控制系統硬件的方案設計。

1 面向指揮導航的室內機器人總體設計

1.1 總體導航方案設計

為降低室內機器人導航成本，采用視覺導航和慣性導航數據信息，實現對已知室內環境下室內機器人的導航和定位。即在室內頂部安裝一部魚眼攝像機，動態獲取室內整體環境的俯視圖，并將俯視圖作為室內機器人的導航地圖，導航架構如圖1所示。針對室內光照的強弱、反光等光照問題對視覺識別的影響，通過設置一些高亮度的標志，避免了系統標志物無法識別的情況發生。控制室內機器人移動之后，魚眼攝像機能夠動態地追蹤移動的室內機器人，獲得室內機器人移動過程中的動態坐標數據，將該位置點坐標顯示在監控界面上，獲得該室內機器人的運動軌跡。同時，室內機器人也可通過慣性導航的方式作為輔助導航，在一定程度上提高機器人導航定位時的精度。為降低研發成本，將室內機器人搭載Android手機。利用Android手機的內置陀螺儀，獲取室內機器人的移動加速度，并對該加速度進行積分，獲得室內機器人的速度和位置，從而實現室內機器人的慣性導航。

圖1 導航架構圖Fig.1 Navigation architecture diagram

1.2 室內移動機器人原型系統設計

室內機器人原型系統主要由4部分組成：標志層、功能層、控制層和底盤。標志層處于室內機器人的頂部，并用來放置高亮標志物，達到易于被室內環境頂部的魚眼攝像機識別的目的；功能層與室內機器人的應用場合有關，需要跟隨實際情況做出調整以實現機器人在實際應用環境中的功能。控制層通常為室內機器人機械平臺，放置導航系統硬件控制器以及系統傳感器等硬件設施的預留層；底盤部分裝有室內機器人原型系統的行走和驅動裝置，主要實現室內機器人的行走、轉向、剎車等功能。

室內機器人原型系統的底盤主要由驅動輪、從動輪、光電編碼器、回轉支承、剎車裝置、轉向傳動裝置、驅動電機、轉向電機、底盤框架等組成。

室內機器人采用輪式底盤，形狀為圓形，驅動輪在前，從動輪在后的三輪底盤架構，從而能夠提高室內機器人直行與轉彎時的通過性。

2 機器人控制系統硬件設計

室內移動機器人控制系統設計，采用以模擬模塊、通訊模塊、運動控制模塊和PC端軟件為主體的多核異構架構。室內機器人控制系統主要分為通信模塊、驅動模塊、信號處理模塊、電源模塊等模塊的設計。本文主要對室內機器人控制器硬件的總體架構進行了設計，同時對傳感器模擬信號采集模塊進行了研究。

2.1 控制器硬件總體設計

為提高控制器的效率，將硬件的功能異構重組后，劃分到幾個不同的模塊內，每個模塊都具有可以進行獨立邏輯運算的處理主芯片，功能模塊間的數據傳遞通過自定義的增強型SPI進行數據通信。

導航系統硬件部分由以下3個主要模塊組成：模擬信號處理模塊，信息通訊模塊和運動控制模塊。模擬信號處理模塊的主要功能是傳感器信號采集和數據處理，同時產生相應的模擬信號輸出；硬件控制系統和上位機之間通過信息通訊模塊進行數據交互，該模塊可選擇多種通訊模式，控制信息通過該模塊傳遞給各模塊的主芯片，同時將各模塊的數據上傳給上位機；運動控制模塊主要負責控制舵輪電機以及用于回轉支承的轉向電機，從而控制移動平臺前進、后退和轉彎等動作［5-6］，硬件控制系統的總體架構如圖2所示。

圖2 硬件控制系統總體架構Fig.2 Overall architecture of hardware control system

3個模塊之間無主次之分，可以互為主從關系，且相應控制程序由對應的主芯片來燒寫。可根據具體的應用場景來確定主要處理模塊，實現了多核異構架構的通用性。

模擬信號處理模塊采用ARM Cortex-M4為內核的STM32F303系列主芯片，可對數據進行浮點運算且處理范圍較大，其次，芯片自帶的DSP庫有利于傳感器信號的處理，降低了控制系統的開發難度。

2.2 模擬信號處理模塊設計

對于室內導航機器人，需要面對復雜室內環境中的各種挑戰，需要接收各種傳感器所采集的信號。如溫度傳感器、壓力傳感器和光線傳感器等，這些信號的高精度傳感器大多為模擬量。因此，各傳感器的數據采集和數據處理模塊的準確性是硬件電路設計的重點。模擬信號處理模塊主要由5個模塊組成：信號采集子模塊、模擬信號生成子模塊、電橋信號處理子模塊、相關模塊間通信電路和電源模塊，模擬信號處理模塊實物圖如圖3所示。

圖3 模擬信號處理模塊Fig.3 Analog signal processing module

模擬信號采集子模塊主要由3部分組成：采集芯片、模擬信號選擇電路、穩壓電路。采集芯片為AD8422，模擬信號選擇電路由CD4052和CD4051組成，穩壓電路由LM385、OP1177H和LM334組成。AD8422處理芯片精度較高，功效和噪聲較小，并且該芯片輸入范圍較寬，適合處理傳感器信號。AD8422需要提供1.27V的參考電壓，該電壓可對±10 V的傳感器電壓進行比例衰減。該模塊的模擬通道為8路，其中6路模擬通道可以實現3個差分或6個單端電壓信號，采集傳感器的電壓最大為±10 V，剩余2路模擬通道用于采集4-20 mA的電流信號，使用兩個模擬開關CD4052B實現模擬通道的切換。

電橋信號采集子模塊可以采集兩路電橋信號，并對電橋信號進行標定和量化。子模塊采用HX711為主芯片進行電橋信號的處理，并且在芯片內集成穩壓電源、晶振信號等外圍電路。在降低硬件成本的同時保留了芯片較強的抗干擾能力和響應速度，提高了模塊的整體性和可靠性。

波形生成子模塊是信號發生模塊，可以生成多種波形的模擬信號，如正弦波、三角波、方波等。該模擬信號可用于各種測量、激勵和時域響等領域。子模塊波形的生成通過主芯片中程序對模塊內數控振蕩器、頻率和相位調制器、SIN ROM、DAC的讀寫來進行控制。

電源子模塊提供了兩種供電方式：USB接口和插座式接口，供電電壓選擇+5 V。通過AMS1117芯片實現+5 V轉換為+3.3 V的電壓，電源模塊-5 V電壓的供給通過ICL7660芯片實現，通過電壓轉換芯片TPS65130將+5V電壓轉換為+15 V電壓，同時該電壓也可為其它子模塊提供電壓，有效地提高系統的整體性。

3 結束語

針對室內導航機器人的系統的準確定位問題，設計研究了面向指揮導航的室內機器人系統的導航方案，同時在一定程度上降低了機器人控制器成本，提高了響應速度，并對該模擬信號采集控制器的各子模塊的設計與各子模塊關系進行研究。將室內機器人的信號采集、通訊和運動控制等功能分置于不同硬件模塊內，對模擬信號采集模塊的硬件開發問題上進行了設計研究，提高了其通用性。同時控制系統對上位機的響應速度以及對機械運動驅動和控制的可靠性也有所提高。