帶語音控制的多功能無線監(jiān)控輪式機器人

　　一、項目情況

　　(一)總論

　?、表椖亢喗?/p>

　　項目由來：

　　對輪式機器人的研究，可以追溯到智能小車的發(fā)展歷程，其實一個功能完備的輪式機器人，在本質(zhì)上就是一臺智能小車，因此對本文中的出現(xiàn)的智能小車，也代表輪式機器人。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，肩負著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機遇”號分別在火星不同區(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“考核標準”。美國宇航局的孿生火星車探測計劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國宇航局科學家和工程師事先設立了一系列硬指標，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測計劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作90個火星日(約相當于地球上的92天)，在火星上行駛總里程至少達到600米，至少造訪8個不同地點，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。“勇氣”號成功實現(xiàn)了集通信、拍攝和計算等功能于一身?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭?當火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標，它會驅(qū)動六個輪子向目標行駛;在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。

　　類似火星車，以輪子作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機器人，它通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改智能小車的計算機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、啟停和進退，比較先進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)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。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)部門獲得廣泛應用。

　　由于工業(yè)現(xiàn)場中大多數(shù)惡劣環(huán)境和危險環(huán)境中仍采用的人工的操作方式，這促使了我們對智能車的研究和開發(fā)。它在各個領域都具有廣泛的應用前景：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、設備檢測等任務;在軍事上，可以在危險地帶代替人類完成偵察、排雷等任務;在民用上，可以作為導盲車為盲人提供幫助;在科學研究方面，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、時間等的影響，環(huán)境變化很大，既包括簡單的結(jié)構(gòu)化環(huán)境也包括復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。室外自主移動機器人導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)境復雜程度有限，一般視作結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

　　1、國外智能車輛的研究

　　智能車輛的研究始于20世紀50年代初，美國BarrettElectronics公司開發(fā)出了世界上第一臺自動引導車輛系統(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，并由多臺該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應用的拖車及叉車等運輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟效益，許多西歐國家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運輸手段。

　　在世界科學界和工業(yè)設計界中，眾多的研究機構(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“移動試驗室”的代名詞，后來用于研發(fā)車載實時圖像處理系統(tǒng)，通過計算機視覺系統(tǒng)來檢測車道軌跡，實現(xiàn)車輛自主駕駛。MOB~LAB有以下主要特點:車輛前后裝備彩色攝像機，用來檢測車輛外部環(huán)境;兩個實時數(shù)字圖像處理器(利用相應算法結(jié)構(gòu)，以200ms一幅圖像速度分析圖像);4個車載傳感器來測量橫向和縱向車輛加速度;在車輛左右側(cè)安裝的毫米波雷達感知道路左右兩側(cè)環(huán)境;兩個PC處理器處理雷達和其他融合的傳感器數(shù)據(jù);

　　美國俄亥俄州立大學的研究：美國俄亥俄州立大學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現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯誤檢測技術:基于視覺的系統(tǒng);雷達系統(tǒng)(檢測與車道的橫向位置);激光掃描測距器(障礙物檢測);其他傳感器，如側(cè)向雷達、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實現(xiàn)道路檢測。利用一臺安裝在后視鏡處的CCD攝像機，位置要盡可能高，車道檢測系統(tǒng)可以處理這樣的單幅灰度圖像。算法假設道路是水平地，并且有連續(xù)或點化的車道標志線。前幾幀檢測的車道標志線數(shù)據(jù)也用來決定下一步興趣熱點區(qū)域，以簡化圖像處理。算法從圖像中提取出重要的亮域，并以向量行駛存儲，如道路消失點或道寬這樣的數(shù)據(jù)參數(shù)，都可以作為計算車道標志線的參考，最后為了處理點劃車道線，可以通過一階多項式曲線來擬合，在進行向量計算。如果檢測到左右車道標志線，就可以利用左右標志線來估計車道中心線;否則也可以利用估計的車道寬度及相關可視標志來估算中心線。

　　另外，斯特拉斯堡(Strasbourg)試驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學、奔馳公司、美國麻省理工學院、韓國理工大學對智能車輛也有較多的研究。