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一、項目情況 (一)總論 ⒈項目簡介 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(shè)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。火星車能夠在火星上自主行駛;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(shù)，是典型的高新技術(shù)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(lǐng)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(shè)備檢測等任務(wù);在軍事上，可以在危險地帶代替人類完成偵察、排雷等任務(wù);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(guān)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(shè)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(shù):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(shè)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(guān)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。 2、國內(nèi)智能車輛的研究 吉林大學智能車輛課題組長期從事智能車輛自主導航機理及關(guān)鍵技術(shù)研究。20世紀90年代以來，課題組開展的組態(tài)式柔性制造單元及圖像識別自動引導車的研究對我國獨立自主開發(fā)一種新型自動引導車輛系統(tǒng)，從而為我國生產(chǎn)組織模式向柔性或半柔性生產(chǎn)組織轉(zhuǎn)化提供了有意義的技術(shù)支撐和關(guān)鍵設(shè)備。課題組己開發(fā)出JUTIV-1、JUTIV-2和JLUIV-3三種型號的自動引導車輛，其中JLUIV-3實用型視覺導航AGV已投入工廠進行中試，并得到吉林省科委“新型視覺引導AGV及自動物流運輸系統(tǒng)開發(fā)”項目、長春市政府科計引導計劃新星創(chuàng)業(yè)項目、吉林大學科技園高新技術(shù)產(chǎn)品孵化項目的立項資助，目前該種AGV已完成商品化研制，即將投入市場。由于JUTIV-3型AGV性能優(yōu)越，智能化程度高，屬國內(nèi)首創(chuàng)，必將會產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟效益。 中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院于2003年7月研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為130公里/小時，最高峰值速度為170公里/小時，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標己經(jīng)達到世界先進水平。轎車自主駕駛的基本原理是仿人駕駛。車內(nèi)的環(huán)境識別系統(tǒng)識別出道路狀況，測量前方車輛的距離和相對速度，相當于駕駛員的眼睛;車載主控計機和相應的路徑規(guī)劃軟件根據(jù)計算機視覺提供的道路信息、車前車輛情況以及自身的行駛狀態(tài)，決定是沿道路前進還是換道準備超車，相當于駕駛員的大腦;自動駕駛控制軟件按照需要跟蹤的路徑和汽車行駛動力學，向方向盤控制器、油門控制器和剎車控制器發(fā)出動作指令，操縱汽車按規(guī)劃好的路徑前進，起到駕駛員的手和腳的作用。 另外，我國清華大學、北京理工大學等單位也正在研發(fā)智能車輛。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識別、智能控制、計算機科學和汽車操縱動力等多門學科于一體的綜合性技術(shù)，汽車自主駕駛功能水平的高低常被用來作為衡量一個國家控制技術(shù)水平的重要標準之一。智能車輛的相關(guān)技術(shù)，也將促進輪式機器人的研究。 項目的研究意義 該項目的研究成功，可以作為消費類的產(chǎn)品推廣，并且對于危險性大的的環(huán)境也同樣起到很大的作用，比如礦井下的人員救助等方面，且本產(chǎn)品是自主創(chuàng)新，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，具有廣泛的應用前景，該項目研制成功將填補我國在這方面的空白，并對科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。 主要內(nèi)容 (1)電機驅(qū)動。采取經(jīng)典的L298模塊來控制，通過一篇L298來控制兩個減速電機的正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制小車的行駛。 (2)紅外無線遙控模塊的設(shè)計，實現(xiàn)小車的無線控制，對其方向的控制。 (3)光電壁障模塊。根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。 (4)語音模塊的研究。在尋跡和壁障過程中，加載語音識別項目，下車將根據(jù)特定人發(fā)布的命令，做出相應的動作，以應對復雜多變的工作環(huán)境。 (5) 利用傳感模塊進行尋跡和檢測障礙物，并控制智能車的車速。 (6) 溫度采集。采用DS18b20芯片采集智能車所處環(huán)境的溫度，將溫度模擬信號已經(jīng)在芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機來讀取數(shù)據(jù)。 (7) 利用OV6620對圖像進行采集，并且研究圖像終端的顯示。 (8) 對ZigBee無線傳輸技術(shù)的研究，應用ZigBee結(jié)合智能車進行安全檢測，包括對受災現(xiàn)場人員的定位，并且采集其生命特征，包括心跳、溫度和血壓等，確定人員的生命體征，并對現(xiàn)場環(huán)境具體情況的采集，其中包括溫度，濕度和空氣的各個氣體的含量，對環(huán)境情況做出預判。 (9)另外，智能車上還可以擴展一些外圍模塊來增加其智能性，比如物品搬運，防盜等功能。這樣小車的智能性會更加全面，功能也會更加完善。 本科研項目符合產(chǎn)學研緊密結(jié)合的技術(shù)熱點和難點，屬于電子與通信項目中的汽車電子的應用產(chǎn)品，屬于資助重點的資助領(lǐng)域。 ⒉項目計劃及目標 項目總體目標 本項目提供： 本項目除了實現(xiàn)智能小車的基本功能外，針對特定的現(xiàn)場及PIC32芯片的特點，還開發(fā)了循跡、避障、測速等功能，并實現(xiàn)圖像的無線傳輸。 (1)本項目的總體目標提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能消防車實時監(jiān)控系統(tǒng)一套; (2)配套的系統(tǒng)和應用軟件一套; 技術(shù)、質(zhì)量指標 (1)將循跡、避障、測速等功能融為一體，嘗試了多通道、多傳感器的綜合運用，采用了較為精確的方向控制策略，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性達到了較高的水平。 (2)評測終端主要技術(shù)指標：充分利用PIC32單片機的軟硬件資源。 (3)增添相應的硬件設(shè)備，實現(xiàn)圖像識別、行駛狀態(tài)顯示。 (4)儀器終端提供測試結(jié)果的液晶顯示，可將結(jié)果實時在外接的顯示器上顯示。 (5)從視頻信號中采集圖像。 (6)利用ZigBee實現(xiàn)圖像的無線傳輸，實現(xiàn)對智能小車的周邊影像的監(jiān)控。 (7)語音控制智能小車的行為。 (8)充分利用單片機的外圍接口，使小車的智能性更強。 (二)項目研究可行性分析 ⒈目前本項目的研究概況、主要研究方法及協(xié)作條件; 我們之所以選擇智能小車是因為對它的研究可以仿效移動機器人的研究，國內(nèi)在移動機器人的研究上，主要的工作有： 清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究;傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究:智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)。此外，還有香港城市大學智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務(wù)機器人，哈工大19%年研制的導游機器人等。 關(guān)于本項目，對PIC32單片機有了一定的研究基礎(chǔ)，對智能小車實現(xiàn)的各個模塊上有了整體的思路并確定方案，并且得到了老師的大力支持。 主要研究方法： 本項目是集循跡、避障、測速等功能融為一體，采用ZigBee對圖像的無線傳輸。其研究開發(fā)方案及技術(shù)路線如下： (1)小車運動控制電路包括控制電機的選擇，PIC32對電機的控制，控制電路的連接設(shè)計和電機控制程序的編寫以及四相反應式步進電機的建模與仿真。 (2)超聲波產(chǎn)生電路包括超聲波產(chǎn)生的軟件編程，超聲波發(fā)射接收的自動控制(R-S觸發(fā)器);超聲波接收電路包括信號放大電路、信號濾波電路和信號整形電路，該部分電路主要完成超聲波從接收到輸入單片機，保障信號的純度和可檢測度。超聲波的發(fā)射和接收由超聲波發(fā)射頭和超聲波接收頭來完成; (3)距離顯示電路的主要作用是顯示障礙物距移動小車的距離，該部分主要內(nèi)容為:外部觸發(fā)脈沖頻率的選擇和計數(shù)器、譯碼器及顯示器的選擇。 (4)語音控制電路，利用PIC對小車的行為進行控制。 (5)小車避障電路主要介紹了機器人的運動學模型和避障過程的設(shè)計思想，常用的兩種路徑規(guī)劃的方法，并介紹了本設(shè)計小車的避障策略及軟件編程，最后對避障程序進行了計算機仿真。 (6)融合ZigBee無線傳輸協(xié)議對車子周邊的環(huán)境進行監(jiān)控。并且嘗試了多通道、多傳感器的綜合運用; ⒉本項目技術(shù)成熟性及可靠性; 本項目所設(shè)計的小車在生活中，及各種特殊的環(huán)境下都有著重大的應用。在生活里，可以作為消費類的電子娛樂產(chǎn)品，而在一些特殊的場合，它又相當于一個輪式機器人，可以在諸如礦井、火災現(xiàn)場等提供一些幫助，并且將現(xiàn)場拍攝的圖像傳輸至終端來顯示，以達到監(jiān)控的目的。倘若這個項目研發(fā)成功，將給生產(chǎn)廠商帶來巨大的市場需求和經(jīng)濟效益。 ⒊本項目的技術(shù)難點： (1)系統(tǒng)抗干擾 由于在不同的環(huán)境下，外界干擾對小車相關(guān)性能影響影響會不一致，因此對小車的抗干擾性提出了更高的要求。 (2)避障功能 對避障這塊的難點是，對障礙物的檢測和相關(guān)參數(shù)的計算(比如大致尺寸，距離等)，以及選擇一個合適的角度，避開目標障礙物。 (3)實時性 對小車周邊的環(huán)境圖像獲取后，進行無線傳輸。從而達到實時對現(xiàn)場的狀況的檢測。因為PIC32的處理速度是相當有限的，而圖片信息量又相對較大，這注定了圖片傳輸和處理會占用較多的cpu資源，這對實時性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。 (4)準確性 對于語音控制部分，控制者發(fā)出控制命令，與事先錄入的語音信息匹配，這個過程可能因為控制者兩次講話的音量大小，頻率高低差別以及身體健康程度而出現(xiàn)不匹配從而無法實現(xiàn)控制，因此這需要一套準確的方法來盡量減少這種情況的發(fā)生。 ⒋本項目的創(chuàng)新點 (1) 目標障礙物的識別以及有效規(guī)避。 (2) 紅外控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速。 (3) 研究了ZigBee的無線傳輸，實現(xiàn)了圖像的無線實時傳輸。 (4) 沿著指定路線自動行駛。 (5) 采用PIC32進行模塊化的設(shè)計，使得整個系統(tǒng)成為可擴展性的一體化平臺;在后期可以增添外圍設(shè)備，進一步優(yōu)化填充功能。 (6)本項目可以實現(xiàn)實時的環(huán)境監(jiān)控機制，對于高危環(huán)境下替代人工作業(yè)也具有重要的意義。 5、項目的風險性及不確定性分析 對項目的風險性及不確定因素進行識別，包括技術(shù)風險、市場風險、政策風險等。 由于智能小車的研究時間已經(jīng)有相當長一段時間，在這期間積累了大量的資料和文獻可供參考，所以可以說我們是站在前人的肩膀上，我們將走得更遠。要完成這個項目，風險是相對較小的，但一切都得我們親力親為，雖然在理論方面已經(jīng)鋪平了道路，但是要真正地實現(xiàn)，還需要一段時間，在這期間也難免會碰到不少困難，但是我們相信，只要大家齊心協(xié)力，不畏懼困難，一定會攻克所有難關(guān)，最終到達勝利的彼岸。 在市場方面，眾多企業(yè)和研究機構(gòu)都希望能夠推出各自的性價比高的智能小車監(jiān)控系統(tǒng)，填補該領(lǐng)域的空白，從而占領(lǐng)這片潛力巨大的市場。該項目的投入既可以填補國內(nèi)實時高性價比的智能小車的空白，又起到監(jiān)控周邊環(huán)境的能力。 智能小車的成功研制不僅可以作為一種玩具推廣到市場，而且能在特殊的高危環(huán)境下起到巨大的作用。該項目的盡快投入將有一個良好的發(fā)展契機。在國際和國內(nèi)都有廣闊的發(fā)展需求空間，是一個高效益的項目。該儀器設(shè)計具有簡單、輕便、靈活、達到產(chǎn)業(yè)化所要求的質(zhì)量標準。本項目已對技術(shù)進行了充分調(diào)研和評估，已將技術(shù)風險降到了最低，同時提出了優(yōu)化最優(yōu)的技術(shù)實現(xiàn)方案;對于市場亦進行了充分有效的評估和調(diào)研，已將風險努力降到了最低，具有廣闊的應用前景。 |
