基于嵌入式系统的物联网服务机器人

何浩，鲁红权，戚晓晨，刘秋鹤，任红格

(华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210)

基于嵌入式系统的物联网服务机器人

何浩，鲁红权，戚晓晨，刘秋鹤，任红格

(华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210)

嵌入式系统；物联网；服务机器人

该项研究设计实现了一种基于嵌入式系统的物联网服务机器人系统，该机器人系统主体由四驱履带车、树莓派控制器、树莓派扩展板、传感器列阵、WLAN无线通信，以及语音、图像识别等模块组成，并将该系统与智能家居有效结合，构成一种新型认知物联网。服务机器人实现了检测到入侵情况时能够准确发出远程报警，能有效地远程控制家中的智能家居，出色地完成语音识别和人机对话，并通过视觉追踪实现自动跟拍等功能。该服务机器人为进一步实现智能、安全物联网提供一种新的可能，拥有广阔的应用和发展前景。

0 引言

按照“国际机器人联合会”的定义，服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备[1]。服务机器人凭借其广泛的应用范围和很高的技术附加值，已经成为我国非常重要的技术辐射性研究平台，对增强国防实力和改善民生条件都具有广泛而深远的影响。而物联网服务机器人相对于已经较为成熟的服务机器人领域来说，是近几年来新出现的一个研究领域。是物联网技术与服务机器人技术的交叉领域，也是物联网与服务机器人领域的研究热点[2]。随着人们生活水平的不断提高和对智能生活的无限向往，物联网服务机器人必将在不久的将来走入千家万户。

1 服务机器人系统概述

根据物联网服务机器人的基本设计准则，这种机器人应具有环境适应能力强、硬件体积精小、可拓展性良好、功能模块化开发、软件实时性强、系统可靠性高、低功耗等特点。该项目研发的物联网服务机器人是基于树莓派3的嵌入式系统，以履带式机器人为机械载体，具有简单可靠、环境适应能力强等有优点。该物联网服务机器人能实现以下几方面功能：

(1)具有履带式行走机构，适应环境能力强，对不同路况的道路均可适应，运动灵活性高，可原地旋转任意角度，速度适中安全可靠；

(2)具有超声波障碍检测、机器人避障、避撞功能；

(3)具有人体检测功能，使用热红外传感器，检测到机器人周围是否有人存在，用于追踪和配合超声波避障传感器识别障碍物信息，实现精准避障；

(4)具有语音识别、分析语音指令、执行指定动作和简单的语音互动功能；

(5)具有基于WLAN的无线网络通信功能，能实现机器人的远程控制与指定设备的数据通信，从而获取机器人的状态信息和机器人所在环境的图像视频信息，能与家中的智能家居无线连接实现物联网；

(6)具有烟雾报警功能，实时监视所服务家中的消防安全；

(7)具有第一视角远程物体运送功能，机器人所搭载的多自由度伺服机械臂，可完成物体的抓取与放置，配合机器人下身履带式移动机构，即可完成第一视角远程物体运送；

(8)具有视觉追踪与目标识别功能，机器人能自动跟随主人，实现私人跟拍摄影师功能。

系统的设计分为两部分，分别是硬件系统设计和软件系统设计，系统的整体设计思想坚持模块化和易拓展化，各个功能模块独立工作，通过标准通讯接口与主板相连，这使得该物联网服务机器人系统在稳定性、可靠性、实用性方面表现良好。

1.1 硬件系统设计

物联网服务机器人系统的硬件主要是由嵌入式主板、外围拓展板和各部分驱动控制板构成。这种硬件结构具有功耗低、模块化清晰、可拓展性强、系统可靠性高的特点。具体来说硬件系统组成包括：嵌入式主板、中央处理器(CPU)、电子触摸屏、传感器网络、驱动电路等。此外物联网机器人还要求具有功耗低、可靠性高、灵活性高等特点，在选择器件与设计电路时应满足这些特点要求。中央处理器和嵌入式主板是该机器人的核心部件，承担着整个系统的绝大部分运算工作，包括总体控制与决策、运动路径规划、实时图像处理与分析、人机交互等。如需正常地完成这些工作，必须使系统的实时性得到保障，而处理器的速度直接关系到实时性这一指标，所以必须选择一款高性能处理器与主板。在该服务机器人中，选用了一款高性能、拓展性好的嵌入式主板树莓派3。该款嵌入式主板处理器搭载了四核1.2 GHz的64位处理器，集成了显卡、声卡和802.11 b/g/n无线网卡。该款嵌入式主板从各方面分析都非常适用于该项目所设计的服务机器人系统。该物联网服务机器人的整体硬件结构框图如图1所示。

图1 整体硬件结构框图

硬件系统按照图1被细分为6个部分，包括主控系统、执行器系统、传感器系统、无线通信系统、人机交互系统和供电系统。控制系统是机器人的大脑，负责与各个系统进行数据交换和处理，做出控制决策。执行器系统主要有左右履带电机、云台电机和多自由度机械臂的舵机。传感器系统中包括：负责图像采集的摄像头，通过USB接口连接到嵌入式主板；负责人员检测的人体红外传感器；负责检测障碍的超声波传感器；负责检测烟雾浓度的烟雾报警传感器。无线通信系统采用802.11 b/g/n无线通信协议，通过无线局域网WLAN技术实现无线通信[3]。无线通信系统主要负责远程控制，与智能家居构成物联网。人机交互系统主要包括显示器、键盘、鼠标、扬声器和麦克风，用户可以通过这些外设设施完成与该机器人的人机交互。

1.2 软件系统设计

物联网服务机器人是一个集检测、分析、决策、控制为一体的智能化系统，该服务机器人系统的软件设计是基于树莓派定制的Linux操作系统开发的，该系统出色的软件开发环境和定制的系统工具，使得该物联网服务机器人软件系统的实时性和代码执行效率有了很大的提高。软件系统运行采用线程机制，通过线程通讯实现线程切换与进行[4]。软件的开发以模块化为准则进行，使用面向对象、直译式计算机程序设计语言phython和C++程序设计语言共同进行开发。各个功能模块独立封装，通过建立模块间的关系再将各个功能模块联系起来。该种软件系统设计原则的优点是：

(1)模块化清晰，开发人员可直接面向功能对象进行开发；

(2)各个功能模块都具有标准的应用接口，进行后续开发时无需更改，为后期的系统升级和维护减轻了工作量；

(3)代码可读性强，条理清晰，利于团队开发；

(4)软件按系统具有多层的抽象层，将任务分层处理。

系统的软件系统结构图如图2所示：

图2 软件系统结构图

软件系统具体划分为7个模块：控制决策模块、动作控制模块、图像采集与处理模块、语音识别模块、网络通信模块、信息采集模块和人机交互模块。其中控制决策模块和运动控制模块作为系统的主进程，控制决策模块负责整个系统工作任务的分配与协调，运动控制模块负责机器人的路径分析规划和抓取动作的控制。图像采集与处理模块等其它5个模块都是作为系统的分进程运行的，它们与主进程是相互独立的，由分进程将各个模块处理完成后，将处理的结果信息发送给主进程进行决策处理，其中图像采集与处理模块是使用基于跨平台的计算机视觉库(OpenCV)进行开发的[5]。

该项目的物联网服务机器人将庞大的软件系统分为模块化进行开发，并且使用面向对象的设计方法和语言将各个功能模块进行独立的封装，通过预留的标准应用接口与主进程进行通讯，最后由主进程做出决策与控制。该种设计方法大大提高了服务机器人整体软件系统的实时行、可靠性和稳定性。

2 实验与调试

在硬件系统和软件系统设计完成后，对所设计的物联网服务机器人各个模块的硬件和软件进行了调试和分析，调试结果如下：

(1)控制决策模块

控制与决策模块是服务机器人的神经中枢，可与各个模块通信、完成视觉跟踪、执行远程指令、反馈设备信息、获得外界环境的障碍物等相关信息，并可做出路径规划、完成人机交互等任务。经实验验证，该模块与其它模块通信正常，能正确无误地完成所控制的任务，实时性很强，可靠性很高。

(2)动作控制模块

该机器人的所有动作指令都有该模块控制完成，包括自主行走与物品的输送，该模块通过与主进程通讯，获得动作指令，通过高级自动控制算法完成相应动作指令。经实验验证，该模块能准确完成主进程所指定的动作，准确度和响应速度都能到达预设要求。

(3)图像采集与处理模块

图像采集与处理模块是机器人的双眼，它的主要任务就是完成视觉跟踪，并辅助路径规划，其对图像的处理效果将直接到视觉跟踪的准确度。该部分特使用功能强大的OpenCV对图像进行处理，通过不断地实验调试使得该部分获得了很好的效果，视觉追踪成功率达到了99%以上，能出色完成私人跟拍摄影师功能。

(4)网络通信模块

网络通信模块主要是完成机器人远程控制的，接受远程操作指令，发送给主进程进行处理，并将执行机器自身状态发送给远程客户端；与智能家具构成物联网。该模块主要调试指令接受、发送的准确度，是否有无效错误指令产生，经过不断地实验室验证，该部分工作正常。指令接受、发送正确率达到100%，验证该系统能安全有效处理错误指令。

(5)人机交互模块和语音识别模块

这2个模块主要功能是完成人机互动，能识别预设的命令，和用户完成流畅的语音对话，实验中主要验证了语音识别的准确度，经实验验证，对于比较标准的普通话，预设命令的识别率能达到100%，人机互动50词以下识别准确率能达到91%。该实验数据基本满足服务机器人的设计要求。

(6)信息采集模块

信息采集模块主要完成机器人周围环境的信息采集，包括对障碍物信息、人员存在信息和室内烟雾信息等的采集，用来完成路径规划等任务，通过实验室验证，该模块对障碍物信息的检测有效距离为1～500 cm，对人体的检测范围为700 cm以内有效，烟雾报警器的报警烟雾浓度为大于或等于90%。所以，经以上实验验证该模块所采集的所有信息均能满足系统需求。

3 结论

该项目所设计的基于树莓派3主板Linux操作系统的物联网服务机器人，具有机械结构简单、可靠性高、适应环境能力强等优势；同时具有硬件系统体积小巧、功能强大、可拓展性强、功耗低等特点。软件系统采用分模块开发设计，使系统实时性、有效性、可靠性都得到很大提高。该款物联网机器人经实验调试能出色完成物联网服务机器人所预设的所有功能，通过在产品外形设计方面的进一步改善，所设计的物联网机器人必将深受用户喜爱，拥有广阔应用和发展前景。

[1] 王田苗,陶永,陈阳.服务机器人技术研究现状与发展趋势[J].中国科学:信息科学, 2012, 42(9):1049-1066.

[2] 孔令富,吴培良.物联网机器人系统研究进展[J].燕山大学学报, 2013,37(6):471-479.

[3] 方正,杨华,胡益民,等. 嵌入式智能机器人平台研究[J].机器人,2006, 28(17):54-58.

[4] 郑燕飞,余海燕.Linux的多线程机制探讨与实践[J].计算机应用, 2001, 21(1):81-83.

[5] 尹俊超,刘直芳.基于OpenCV的运动目标检测与跟踪[J].计算机工程与设计, 2011, (8):2817-2820.

Service Robot for Internet of Things Based on Embedded System

HE Hao, LU Hong-quan, QI Xiao-chen, LIU Qiu-he, REN Hong-ge

(College of Electrical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

embedded system; internet of things; service robot

A service robot system for internet of things is designed based on embedded system. The main body of the robot system is composed of a four-wheel drive crawler, a raspberry pie controller, a raspberry pie expansion board, a sensor array, a WLAN wireless communication, and a voice and image recognition module. And the system is combined with the smart home effectively, which forms a new cognitive internet of things. The service robot can detect the intrusion accurately and send out the remote alarm, can effectively control smart home at home remotely, it has the function of speech recognition and human-computer dialogue, and achieves the function of following shot automatically through visual tracking. The service robot provides a new possibility for the further realization of intelligent and secure internet of things, and has broad application and development prospects.

2095-2716(2017)02-0092-05

2016年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201610081015)。

TP242.6

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