多功能交互型机场服务机器人研究_葛园园.docx
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1、摘要随着公众对航空出行的便捷和舒适度要求不断提高,航空公司对机场服务建 设的投入也逐渐增大。服务机器人在机场中使用,能够完成大量重复性工作,减 缓服务人员压力,提高服务效率和质量,为旅客提供各种人性化的服务,具有广 阔的市场前景。论文针对机场服务机器人的实际应用情况,在分析市场需求的基础上,提出 了一种适用于机场服务的机器人系统方案,给出了其结构设计过程,完成了各功 能模块的软硬件设计,进行了样机制作和功能试验。论文研宄内容包括:1) 提出了一种基于模块化思想的服务机器人开发方法,从功能性和稳定性出发, 针对机场服务机器人系统功能需求进行了分析与合理划分,完成了机场服务机 器人的机械结构和控制
2、系统的设计。2) 阐述了机场服务机器人的运动控制方法,建立了底盘运动学模型,融合环境信 息并归纳处理分析,实现了机场服务机器人运动控制和避障。3) 设计了机场服务机器人控制系统,包括服务机器人主控模块、运动控制模块、 信息采集模块、语音控制模块,实现了机器人控制以及人机交互等功能。4) 构建了实验样机,通过实验验证了运动控制方法和交互方式的可行性,为机场 服务机器人的进一步研宄提供了平台。关键词:服务机器人;控制系统;运动控制;语音交互;服务平台ABSTRACTWith the increasing demand for convenience and comfortable travel c
3、onditions requirement for public air travel, airlines9 investment in airport service is also increasing. The application of service robots in occasions where a large number of repetitive work to be done, such as in airport, can reduce work intensity of staffs, increase service efficiency and quality
4、, offer tourist humanized service and has capacious market future.The subject proposed a solution about comprehensive intelligent airport service robot based on the practical application of airport service robotln this thesis, The main research work is as follows :1) Proposed service robot developme
5、nt methods based on modularity. This paper analyses, divides robot demands according to functions and stability and accomplishes the design of robot mechanical structure and control methods.2) Elaborated locomotion control method of airport service robot, constructed kinematic model of mobile chassi
6、s, integrated environmental information, summarized and analyzed the data to achieve movement control and obstacle-avoidance.3) Constructed control system of airport service robot. The system included the Main System, motion control system, information sampling module and voice control module, achie
7、ves functions of robot controlling and human-computer interaction.4) Built the experimental prototype of airport service robot and verified the feasibilities of motion control methods and interactive module through experiment. All the work provided the platform for further study.KEYWORD: Service rob
8、ot; Control system; Motion control; Voice interaction; Service platform目录第一章绪论11.1课题背景及意义11.2服务机器人发展概况11.2.1服务机器人国内外研宄现状简述11.2.2机场服务机器人国内外应用情况21.3机场服务机器人关键技术研究61.3.1移动机器人的运动控制系统研宄61.3.2人机交互技术的研宄71.3.3机场服务机器人功能与设计要求81.4主要研究内容9第二章机场服务机器人方案和结构设计102.1机场服务机器人的功能要求102.2系统组成112.3机械结构设计122.3.1驱动方案122.3.2车轮驱
9、动系统设计142.3.3机身框架设计192.4运动学分析202.4.1运动学模型202.4.2曲线行走实现222.5本章小结24第三章机场服务机器人控制系统硬件设计253.1控制系统总体设计253.2控制系统硬件设计263.2.1上位机273.2.2主控芯片283.2.3运动控制293.3语音模块313.4传感器选型与布置323.4.1超声波传感器333.4.2红外测距传感器343.4.3热释红外传感器模块363.5遥控模块373.6串口通信模块373.7电源设计383.8本章小结40第四章机场服务机器人控制系统软件设计414.1软件设计框架414.2运动模块434.2.1传感器数据采集434
10、.2.2电机输出信号控制444.2.3机器人避障行走454.3通信模块474.3.1串口通信474.3.2遥控与无线通讯模块484.4人机交互494.4.1机场服务平台界面504.4.2调试控制界面524.4.3语音交互534.5本章小结54第五章样机开发与实验565.1机场服务机器人样机搭建565.2测试过程585.3本章小结59第六章总结与展望60参考文献62攻读硕士学位期间的学术活动及科研成果65附录66插图清单图1.1仁川国际机场的服务机器人3图1.2史基浦机场的服务机器人3图1.3杜塞尔多夫机场服务机器人4图1.4迪拜国际机场服务机器人4图1.5海口美兰国际机场服务机器人5图1.6深
11、圳宝安国际机场服务机器人5图1.7广州白云国际机场服务机器人6图2.1机器人模块划分12图2.2四轮移动方式14图2.3转弯受力示意图17图2.4左转弯受力示意图17图2.5硬件接口与电机外形图19图2.6底盘尺寸图20图2.7车架外形图20图2.8运动学模型21图2.9无拐点的曲线拟合23图2.10有拐点的曲线拟合24图3.1机场服务机器人控制系统框架26图3.2控制系统硬件结构图27图3.3STM32结构框图28图3.4电机驱动板电路图31图3.5电机驱动模块实物图31图3.6语音模块电路图32图3.7语音模块实物图32图3.8传感器布置图33图3.9超声波外接电路34图3.10超声波传感
12、器实物图34图3.11红外传感器实物图35图3.12热释红外传感器实物图36图3.13 NRF24L01 电路图37图3.14串口通讯模块电路图38图3.15 STM32F103ZET6串口模块连接实物图38图3.16电源降压模块实物图40图4.1机器人控制系统软件框图41图4.2运动控制流程图43图4.3避障算法框图47图4.4机器人交互模式50图4.5机场服务平台人机界面51图4.6调试界面52图4.7语音模块工作流程图53图5.1机器人样机实物图58图5.2机器人底盘测试图片59表格清单表2.1机场服务机器人的设计要求10表2.2 36GP-555电机参数18表3.1 PC机参数27表3
13、.2 L298N电机驱动模块参数30表3.3超声波传感器参数表34表3.4红外传感器参数表35表3.5热释红夕传感器参数表36表3.6 NRF24101芯片参数表37表3.7机器人总体功率表39表4.1代码格式54表5.1功能部件选型列表56第一章绪论1.1课题背景及意乂机器人技术是集机械、微电子、传感器、计算机、智能控制、通信与网络、 新材料、生物医学工程等多学科交叉的战略性技术,对于相关技术与产业的发展 起着重要的支撑和引领作用。在世界信息化的浪潮下,机器人成为自动化和智能 化产业的重要组成部分1。机器人的应用领域也随着机器人技术的不断发展而变得越来越广泛,不仅是 在传统的工业领域广泛使用
14、,在服务、医疗等领域也为人们提供各式各样的服务, 逐步走进了我们的日常生活中,给人们的生活带来了极大的便利1。根据国际机器人联合会(IFR)的初步定义,服务机器人是指除从事工业生产以 外的一类半自主或全自主工作的机器人,帮助人类去完成有益于人类的除生产制 造加工之外的服务类工作3。随着经济的飞速发展,公众对航空出行的便捷和舒适度要求逐渐提高,以公 务、探亲访友、旅游出行等为代表的中长途出行需求迅速增长4,机场需要提供愈 加完备的设备以提升服务质量。机场空间大,环境复杂,人流量大,劳动重复率 高,航空出行的巨大人流量和服务压力对机场服务装备提出了更高的要求。为节 省时间和劳动力成本,部分工作可由
15、机器人替代,智能化机场服务系统也将成为 提高机场服务水平的一个重要选择5。通过智能机器人与快速发展的网络和大数据 技术的结合,可有效促进机场智能化建设,极大地拓展机场的运营发展空间6。控制技术、计算机技术、生物科技等在发展过程中的不断突破和创新,智能 导航、人脸识别、语音交互、大数据等先进技术的不断成熟,为服务机器人的多 功能和智能化提供了良好的发展条件7。可以预见,随着市场需求和机器人技术的不断发展,机场服务机器人的应用 将在不久的未来得到普及。目前国内针对机场服务的机器人应用技术研宄还不够 系统,相关文献不多,对其作系统分析和研宄具有重要意义。1.2服务机器人发展概况1.2.1服务机器人国
16、内外研宄现状简述随着现代科学技术的快速发展,机器人被应用在诸多领域,例如医学实验、 现代工业生产、科学实验室等领域。1980年以后,服务机器人开始成为机器人领域的众多方向之一。许多国际大 型公司、科研机构以及高校实验室致力于服务机器人的研发8。美国对机器人的研宄进行得相对较早,技术领先,产业化与公司运作成熟。 波士顿动力(Boston Dynamics)公司作为一家机器人产品和技术研发公司闻名全球,该公司研制的仿真机器人Atlas能在平地进行后空翻,突破了复杂动力学建模、控 制与驱动问题9。曰本也是较早研究机器人的国家之一,在服务机器人技术的研究上取得了很 多领先世界的成果,同时推进行业标准的
17、建立,促进了服务机器人的产业化,目 前机器人产量和普及度己经居于世界第一1()。日本在语音识别、安全技术、人机 交互等方面拥有大量专家,并保持着较大的技术优势,在发明专利方面也有着较 快的增长率。ASIMO机器人是日本本田(HONDA)公司研制的仿人机器人,最新的 2016版本采用13个自由关节的手臂,具有很高的整体协调性11。得益于现代科学技术的飞速发展,尤其是传感器技术和计算机技术,各种类 型和功能的机器人在世界范围内的研宄与应用己变得相当广泛,几乎渗透到了所 有领域,无形中改变了人类的生活方式。机器人技术越来越受到世界各国的高度 关注,主要经济体都非常重视机器人技术与产业的发展,将发展工
18、业自动化和机器 人产业上升为国家战略12。机器人的研宄进入了高峰期,在助老助残机器人、家 用机器人和可穿戴智能设备等方面,国外相关的机器人公司和科研机构都有重要 突破13。针对不同的应用领域,机器人从工业机器人,包括机械手臂等固定的简 单机器人,到移动机器人,再到近代发展的仿人形机器人;从单台机器人到多台 机器人协作,经历了巨大的变化14。服务机器人在生活、国防、教育等领域的作 用日益凸显。较之美国、欧洲、日本等科学技术高度发达的国家,中国在机器人方面的研 发和应用起步稍晚,且主要集中在知名高校及研宄机构15。中科院自动化研究所 研宄机器人的时间相对较早,语音领域的技术成果突出,尤其是语音识别
19、技术, 是人机交互和物联网领域的重要研宄方向,具有广阔的应用前景。北京理工大学 研制的“汇童” BHR及浙江大学研制的仿人机器人连续对打乒乓球最高可达110 回合,机器人与人对打最高可达140回合。浙江大学与中控集团开发的“海宝机器 人”集多传感器于一体,具备人脸识别、导航定位、语音识别等多种先进技术, 是一款娱乐性和功能性兼备的服务机器人16。在21世纪后,随着产业结构的调整以及产业革新的不断深入,中国政府在机 器人技术研究方面不断投资基础设施和先进设备。进入互联网时代以来,中国的 机器人技术以迅猛的势头飞速发展,人工智能、语音识别、互联网技术等全面发 展,为服务机器人的开发提供了平台和技术
20、17_18。1.2.2机场服务机器人国内外应用情况各国的研宄人员针对不同实际需求,在现有技术的基础下,研宄适用于机场 的服务机器人,取得了丰硕的成果。目前,国内外已有不少机场开始引入服务机 器人,其丰富的服务功能和具有吸引力的外形也为机场服务质量的提高做出了贡献19韩国LG公司研制的服务机器人“特罗伊卡”(如图所1.1示),身高1.4米, 整体线条圆润可爱,机身白色,身前设有较大的显示屏,显示现场地图、天气预 报、航班信息等,头部也有弧形显示屏,可以显示微笑等表情。这款机器人还可 以完成引路、语音应答、辅助清洁等工作。图1.1仁川国际机场的服务机器人Fig 1.1 Service robot
21、of Incheon International Airport如图1.2所示的“斯宾塞”是由荷兰皇家航空公司KLM、瑞典厄勒布鲁大学 (Grebro University)和欧盟共同开发的一款具备认知能力的机器人,设计初衷是帮 助迷路乘客找到正确的路径。外形如图所示,这款机器人目前在荷兰史基浦机场 为旅客服务,指引登机口路线,引领旅客顺利找到正确的登机口;还可以利用扫 描仪和相机获取建筑物信息,构建机场地图,进行机场导航,不断地扫描周边环 境,避开附近障碍物和人,确保行动安全,同时检查旅客有没有跟丢。斯宾塞能 讲多种语言,而且能够理解和学习某些人类行为。外形设计得窄小,可以在人群 中自由穿梭
22、。图1.2史基浦机场的服务机器人Fig 1.2 Service robot of Airport Schiphol在杜塞尔多夫机场中为旅客停车的机器人“雷”,如图1.3所示,是由上巴伐 利亚的Serva运输系统公司(Serva Tranport Systems)研制开发。该款机器人利用相机对需要送入停车场的汽车进行测量和拍照,将汽车整体抬高,安置在停车位上。 这样可以节省停车空间并减轻驾驶员的负担,减少停车等待时间,降低停车时间 损耗。图1.3杜塞尔多夫机场服务机器人Fig 1.3 Service robot of Flughafen Dlisseldorf International Air
23、port迪拜国际机场启用了一款电子巡逻机器人警察“阿米尔”,身高1.6米,采用 类人外形,如图1.4所示,具有丰富语言功能、人脸识别、检测交通违章、识别嫌 疑人等功能。该款机器人可为旅客发放签证,还可以作为巡检机器人,内置环境 传感器检测烟雾、温度等环境信息,发现问题及时报警。旅客可利用触摸屏触发 报警装置。图1.4迪拜国际机场服务机器人Fig 1.4 Service robot of Dubai International Airport图1.5所示为中国海口美兰国际机场的服务机器人。该机器人能够自主迎宾, 当有旅客提问时,机器人会对旅客提出的问题智能应答,可根据设定的程序在候 机楼内自行移
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