（通信与信息系统专业论文）人性化机器人的研究、设计与实现.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 本课题是改进一个遥控型的机器人模型为一个语音控制的教学机器人。它是以 台湾凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 单片机为核心，外部扩展了图像识别、语音存储、环境 温度检测、人体感测、障碍物检测和悬崖检测等模块的人性化机器人控制系统。通 过s p c e 0 6 1 a 强大的d s p 语音处理功能，实现了人机语音交互的功能。 本文分析了人性化机器人的总体设计及软硬件设计，并给出了硬件设计原理 图。本课题做出了实际的机器人模型，通过这种可以看得见摸得着的玩具机器人产 品模型，让学生了解整个系统的开发流程，拓宽学生的视野，提高学生学习的主动 性以及思考问题的能力，为他们以后进一步的学习打下比较扎实的基础。年轻人思 维比较活跃，这样他们还可以在这个模型的基础上发挥想象力和创造力，再做深入 的开发。 关键词：机器人，教学，单片机，m i n i o s a b s t r a c t t h i sp a p e ri m p r o v e st h ef u n c t i o no fas i m p l er o b o tf r o mb e i n gr e m o t ec o n t r o l l e d r o b o tt os p e e c hc o n t r o l l e d t h es y s t e mi nt h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nah u m a n i z e d r o b o tc o n t r o ls y s t e mw h o s ek e yi ss u n p l u s ss p c e 0 6 1 am c u ，a n dw h o s ep e r i p h e r ya r e i m a g er e c o g n i t i o n ，s p e e c hr e c o g n i t i o n ，e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，h u m a n d e t e c t i o n ，o b s t a c l ed e t e c t i o na n dc l i f fd e t e c t i o na n ds oo n t h r o u g hs p c e 0 6 1 a ss t r o n g d s pf u n c t i o n ，t h es y s t e mi m p l e m e n t ss p e e c hi n t e r a c t i o nf u n c t i o nb e t w e e np e o p l ea n d r o b o t t h i sp a p e rd i s s e r t a t e st h es y s t e m sg e n e r a ld e s i g na n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n ，s h o w st h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m a t i c s ，a n di m p l e m e n t sr o b o tm o d e l t h i sc o m e i n t ov i e wa n dc o m et oh a n dt o yr o b o tm o d e lw i l la l l o ws t u d e n t st ou n d e r s t a n dt h ew h o l e s y s t e m sd e v e l o p m e n tf l o w , o p e nu pt h e i rv i e w ，i n c r e a s et h e i ri n t e r a c t i o nw i t ht h es t u d y a n di tw i l ll a yd o w ng o o df o u n d a t i o nf o rt h e i rf u t u r es t u d y , w h i c hm i g h tc o n t r i b u t et ot h e f u r t h e rp o s s i b l ed e v e l o p m e n to ft h i sr o b o tm o d e lw i t ht h e i ri m a g i n a t i o na n dc r e a t i o n l ij i a n h o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya d j u n c tp r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e y w o r d s ：r o b o t ，t e a c h i n g ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，m i n i o s i 华北电力人学硕士学位论文 摘要 本课题是改进一个遥控型的机器人模型为一个语音控制的教学机器人。它是以 台湾凌阳公司的s p c e 0 6 1 a 单片机为核心，外部扩展了图像识别、语音存储、环境 温度检测、人体感测、障碍物检测和悬崖检测等模块的人性化机器人控制系统。通 过s p c e 0 6 1 a 强大的d s p 语音处理功能，实现了人机语音交互的功能。 本文分析了人性化机器人的总体设计及软硬件设计，并给出了硬件设计原理 图。本课题做出了实际的机器人模型，通过这种可以看得见摸得着的玩具机器人产 品模型，让学生了解整个系统的开发流程，拓宽学生的视野，提高学生学习的主动 性以及思考问题的能力，为他们以后进一步的学习打下比较扎实的基础。年轻人思 维比较活跃，这样他们还可以在这个模型的基础上发挥想象力和创造力，再做深入 的开发。 关键词：机器人，教学，单片机，m i n i o s a b s t r a c t t h i sp a p e ri m p r o v e st h ef u n c t i o no fas i m p l er o b o tf r o mb e i n gr e m o t ec o n t r o l l e d r o b o tt os p e e c hc o n t r o l l e d t h es y s t e mi nt h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nah u m a n i z e d r o b o tc o n t r o ls y s t e mw h o s ek e yi ss u n p l u s ss p c e 0 6 1 am c u ，a n dw h o s ep e r i p h e r ya r e i m a g er e c o g n i t i o n ，s p e e c hr e c o g n i t i o n ，e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，h u m a n d e t e c t i o n ，o b s t a c l ed e t e c t i o na n dc l i f fd e t e c t i o na n ds oo n t h r o u g hs p c e 0 6 1 a ss t r o n g d s pf u n c t i o n ，t h es y s t e mi m p l e m e n t ss p e e c hi n t e r a c t i o nf u n c t i o nb e t w e e np e o p l ea n d r o b o t t h i sp a p e rd i s s e r t a t e st h es y s t e m sg e n e r a ld e s i g na n ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n ，s h o w st h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m a t i c s ，a n di m p l e m e n t sr o b o tm o d e l t h i sc o m e i n t ov i e wa n dc o m et oh a n dt o yr o b o tm o d e lw i l la l l o ws t u d e n t st ou n d e r s t a n dt h ew h o l e s y s t e m sd e v e l o p m e n tf l o w , o p e nu pt h e i rv i e w ，i n c r e a s et h e i ri n t e r a c t i o nw i t ht h es t u d y a n di tw i l ll a yd o w ng o o df o u n d a t i o nf o rt h e i rf u t u r es t u d y , w h i c hm i g h tc o n t r i b u t et ot h e f u r t h e rp o s s i b l ed e v e l o p m e n to ft h i sr o b o tm o d e lw i t ht h e i ri m a g i n a t i o na n dc r e a t i o n l ij i a n h o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya d j u n c tp r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e y w o r d s ：r o b o t ，t e a c h i n g ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，m i n i o s i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文人性化机器人的研究、设计与实 现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：客枣羔 日期： 碰：堕：塑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盔垒红 日 期：矗生：坦 导师签名： 日期： 魈 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1课题背景和研究意义 1 1 1课题的背景和意义 机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，自6 0 年代初问世以来，历经 4 0 余年的发展已取得长足进步。走向成熟的工业机器人、实用化的各种特种机器人， 昭示着机器人技术灿烂的明天。 机器人是具备一些与人类行为相似特征的智能工具或机器。它有三个基本特 点：一是具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过感知系统可以获取各种不 同的外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。二是具有思考能力，即加工处理 信息的功能。机器人通过大脑系统进行思考，其思考过程就是对各种信息进行加工、 处理、决策的过程。三是具有行为功能，即输出信息的功能。机器人通过执行系统 来完成工作，如行走、发声等。因此，任何一台机器，只要它能智能控制自己的行 为、并对环境作出反应，则无论是什么形状的都可以被称之为机器人。 机器人之所以能成功步入寻常百姓家，首先在于研发技术越来越先进，机器人 的可靠性越来越高。随着人工智能、无线网络、声音及图形识辨技术、视觉传感和 触觉传感技术的不断发展，新一代家用机器人将日益多元化和智能化，不再需要遥 控，变得更加“自立”与互动。其次，机器人的价格瓶颈逐渐被打破。在同本、美国 等国家，家用机器人已批量生产。机器人已成为家中的“保姆”，照顾孩子学习玩乐， 协助老人更衣洗澡，提醒病人定时吃药，清洁室内卫生，它们已经成为与人类朝夕 相处的伙伴。 近年来，机器人作为机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科的典型载 体，被广泛作为我国高校教学和研究的选题之一，机器人赛事也方兴未艾。为了适 应我国素质教育改革的潮流和创造型人才的培养需求，为使培养出来的学生既有创 造性思维又有较强的动手能力，为了加速推进全面素质教育改革进程，为了激发在 校学生学习和动手实践的积极性，我们提出了人性化机器入教学模型的研究、设计 与实现的论文课题。通过这种可以看得见摸得着的玩具机器人模型，让学，七了解整 个系统的丌发流程，并学习自己动手设计、组装和编程调试，把理论知识转化为实 践经验，提高学生学习的主动性以及思考问题的能力，为他们以后进一步的学习以 及踏上社会打下比较扎实的基础。年轻人思维比较活跃，他们可以在这个模型的基 1 华北电力大学硕十学位论文 础上发挥想象力和创造力，再做深入的开发1 1 【3 1 4 】【7 】【3 l 】【3 2 l 【4 6 】。 1 1 2国内外研究动态 1 1 9 9 7 年同本举行的国际机器人展览会上，推出了一款叫“爱宝”的机器小狗。 它有6 种不同的情感状态：喜、怒、哀、惊、惧和怨，其情感变化可以由各种原因 引起，也可以相互影响。“爱宝”的爱、寻找、运动和饥饿等4 个不同的本能构成了 它的一些基本行为。“爱宝”也像幼童一样有学习期、成长期和成就期：在学习期它 可以经过人的辅导培养本领和性格；在成长期可以了解周围世界，观察和倾听各种 事情，积累经验：在成就期则具有丰富的情感、自主的本能，并与主人进行交流。 2 1 9 9 9 年7 月n e c 公司制造出“p e r s o n a lr o b o tr 1 0 0 ”，它具有识别人、明白语 音命令并与使用者交流的能力，在p c 机的协助下可以处理远端的语音和视觉信息。 2 0 0 4 年1 月n e c 公司又推出一款机器人p a p e r o ，不但具有人类的复杂表情，而且 会说3 0 0 0 个短语，并可以独立处理远端的语音和视觉信息。 3 2 0 0 0 年本田公司推出的“阿西莫”，是第一款可遥控、会行走的两足机器人， 它不但会攀爬楼梯、识别声音，还能理解人的手势和动作。 4 2 0 0 1 年1 1 月中国科研人员研制出蛇形机器人，标志着我国机器人技术的新 突破。该机器蛇长1 2 m ，直径o 0 6 m ，重1 8 k g ，可以像蛇一样在地上或草丛中自 主地蜿蜒运动，最大速度达每分钟2 0 m 。 5 ，2 0 0 3 年索尼公司开发出机器人q r i o ，高5 8 c m ，重7 k g ，不仅能够行走、跳 舞，而且还能指挥一场小型交响音乐会。 6 2 0 0 4 年4 月w o w w c e 公司推出的r o b o s a p i e n 娱乐机器人，可以象人一样“捡 东西、投掷东西、踢腿、跳舞、游戏、打架、发脾气、抱怨，甚至可以打嗝、放屁。 2 0 0 5 年1 月w o w w e e 又推出了一款m i n i r o b o s a p i e n 机器人玩具，它仅有7 i n c h 高， 可以行走、眼睛可以发光、可以摆动手臂和央起东西 3 6 】【3 7 】 3 8 1 【4 2 】【4 3 l 。 1 2本文主要研究内容 1 。2 。1系统方案的初始构想 课题研究之初，对人性化机器人提出了如下功能设想，系统结构框图如图1 。2 1 c 1 图像识别 机器人可以区分人和物体，识别人衣服的颜色、物体的形状和颜色、英文单词、 电子钟表的时1 1 日j 、扑克牌的花色。 2 语音辨识与处理 2 华北电力人学硕+ 学位论文 机器人能将图像识别的结果用语音播报出来，并能与人打招呼、称赞、与人进 行有限量的对话、唱使用者所点的歌。 3 机器人的移动和人性化设计 机器人能扭头、前进、后退、转弯、遇到物体绕开，按照歌曲的节奏跳舞，机 器人与人握手时让人感觉有一定的力度感、柔和性和温暖性。 i 环境温度捡测模块 = = 书 e = = 刊 电源模块 i 体感测模块 = = 。 s p c e 0 6 1a堕 m c u f 障碍物检测模块 = = 影 开发板 ! 竺竺 i 悬崖检测模块 = = o烀唔 1 ，。， 图1 2 1 系统结构框图 1 2 2系统设计与实现过程中的几个问题 在研究开发过程中需要解决两个关键问题：一是机器人与人进行语音交互时所 用到的语音识别和存储；二是机器人上各传感器的信息融合和信息处理。 选用的s p c e 0 6 1 a 单片机具有3 2 k 字f l a s h ，但还是不能满足我们的人机交 互需要。最初是想用u s b 海量存储器来解决语音的存储问题，但开发难度和成本大 幅提升，最后选用了具有4 m b i t 的凌阳s p r 4 0 9 6 a 存储器，正好能够解决语音存储 问题，价格也合适。机器人的人性化设计会用到较多的传感器来感测周围的信息， 多传感器的信息融合和处理是一个需要解决的关键问题。在设计过程中，整个系统 是通过人的语音发布命令来控制机器人实现相应的功能的，在实现功能的过程中， 查询实现功能的传感器所采集到的数据。这样在实际过程中，传感器是一直在采集 数据，只有在机器人实现相应功能时所采集的当前数据才是系统所处理的数据。各 传感器采集的数据信息的处理过程在各功能模块有详细介绍，这里就不再赘述了。 接下来还有两个值得关注的问题：一是与机器人握手的问题一二是图像识别的 问题。最初的设想是机器人能与人打招呼，并与人友好的握手。山于我们买的机器 人模型的手臂是固定的，若要实现与人握手，则必须重新设计机器人模型并在手臂 卜加l ：控制电机。这涉及到许多机械设计方面的问题，实现难度比较大，本文暂不 涉及。由于图像识别部分所选用芯片的功能限制，所以原来设想的识别扑克牌花色 和钟表时州的l u 1 题也不便开展，后而有同学号j 用f p g a 柬设计图像识刖芯片。 冀 华北电力人学硕士学位论文 1 2 3已经实现的系统功能 以凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 为核心，设计了相关外围电路并制作出p c b 板， 结合外购的玩具机器入模型，构建出了人性化机器人的硬件系统模型。结合软件编 程，本人性化机器人已经实现了如下功能： 1 利用图像识别技术，机器人可以区分人和物体，物体的形状及颜色。 2 利用语音辨识与处理技术，机器人能将图像识别的结果用语音播报出来，并 与人进行有限量的对话，可以根据主人所点的歌名唱指定的歌。 3 在机器入的移动和入性化设计方面，机器入能扭头、前进、后退、转弯、遇 到物体绕开，避开悬崖，按照歌曲的节奏跳舞。 设计中采用按键和语音识别相结合的方式控制机器人。使用者首先通过按某个 键来重新训练机器人，让它记住其语音命令。然后用语音指挥机器人完成一些常见 的人的动作，比如：前进、后退、扭头、避障、避悬崖、唱歌、跳舞、识别物体的 颜色和形状、识别人、测量环境温度等。这些都很容易引起学生的兴趣，会激发学 生动手制作机器人的欲望。 以凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 为系统的核心，开发出整套的人性化机器人的 学习、实验和实习套件，并提供软件开发环境及一些模块的源程序代码等。只要学 生有兴趣，马上就可以动手对机器人的各个部分进行设计和编程，可以改变原来的 设计思路，实现他们想要实现的功能。这样不仅能使学生快速了解和掌握机器人的 设计和实现过程，而且能激发学生学习、实践和创新的热情，大大提高学生的实践 动手能力。 目前市场上的机器人玩具都是按键或遥控控制的，基本上没有用语音控制的。 本机器人系统在较低成本下，实现了语音人机交互以及一些人性化功能，并适合于 教学需要，这是本课题最大的创新点。 1 2 4论文组织结构 论文首先讨论了人性化机器人系统的总体方案设计、硬件实现方案、各关键硬 件模块的详细设计与电路实现：然后阐述了系统软件的详细设计和实现；接着给出 了硬件和软件的调试分析；最后对整个设计作了总结和分析。 1 3小结 本章分析了机器人研究的背景和意义以及幽内外研究动态，分析探讨了论文要 实脱的任务和已实现的功能，最后简要说明了本文的组织结构。 4 华北电力大学硕 学位论文 2 1概述 第二章人性化机器人总体方案的设计 本文设计的人性化机器人应具有语音播放功能、图像识别处理功能、移动及移 动过程中的避障避悬崖功能，还有区分人和物体的功能以及测量环境温度的功能。 2 2人性化机器人总体方案的设计 2 2 1控制器的选择 本系统要实现语音辨识和语音播放的人性化功能以达到人机交互，而其他的系 统功能由一般微控制器都可以实现，所以对语音的支持是选择微控制器的关键因 素。现在常用语音识别芯片的种类有：出单片机组成的语音识别专用i c 、由数字信 号处理器d s p 组成的语音识别系统、语音识别系统级芯片s o c ( s y s t e m0 1 1c h i p ) ”。 1 专用l c 是以8 位或1 6 位单片机为计算核心，外加d 、d a 及存储器。因 单片机的运算能力有限，故其识别算法不可能复杂，精度也低，识别率不高。 2 ，由d s p 组成的语音识别系统，一般由定点1 6 位d s p 、a d 、d a 、r o m 、 r a m 、f l a s h 等组成。由于d s p 包含数字信号运算的专用部件，所以运算能力强、 精度高，适合组成较高性能的语音识别系统。 3 s o c 是将m c u 或d s p 、a d 、d a 、r a m 、r o m 、预放、功放等集成在一 个芯片上，只要加上极少的外围电路，就可实现语音识别、语音合成和语音回放等 功能，其性能高，功耗小，但是价格较高。s p c e 0 6 1 a 单片机将m c u 、a d 、d a 、 r a m 、r o m 集成在一块芯片上，并具有1 6 位1 6 位的乘法运算和内积运算功能， c p u 最高时钟可达到4 9 m h z 。在处理复杂的数字信号方面它可以和d s p 相媲美， 但价格却要比专用的d s p 芯片廉价。s p c e 0 6 1 a 具有较强的中断处理能力，系统支 持1 0 个中断向量及1 0 余个中断源，适合实时语音处理，并具有双通道l o 位d a c 方式的音频输出功能还具有带自动增益控制功能( a g c ) 的麦克胍输入方式，为语 音处理带来了极大便利。 综上分析s p c e 0 6 1 a 具有很强的语音处理能力，而且我们实验室有s p c e 0 6 1 a 的软硬件丌发平台及大量相关资料，能大大节省丌发成本和资料搜索时间。因此， 选择凌阳1 6 位竹片机s p c e 0 6 1 a 作为人性化机器人系统的核心控制器。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2软件系统的选择 随着单片机系统功能复杂度的提高，采用传统丌发模式来设计软件，有时难以 满足实际应用要求。传统模式开发的程序由一个主循环控制，通过判断不同的标志， 轮循调用各功能函数，主循环中调用的子程序按顺序运行。其缺点是：1 中断得不 到及时响应，处理时间过长，实时性差；2 系统任务多，要考虑的各种可能也多， 各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件的可靠性，程序编写任务量成指数规 律增加。因此，当应用程序处理的任务较多，尤其要求同时执行两个或两个以上的 任务时，构建一个实时多任务操作系统( r t o s ) 就显得非常必要。 实时多任务操作系统是当前单片机软件系统的发展方向，它使整个嵌入式系统 实现了自动化，具有高效率和高可靠性，实用价值较高。单片机中的实时多任务操 作系统是单片机应用系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行在 r t o s 之上的各个任务。r t o s 根据应用系统的要求，进行资源( 包括堆栈、存储器、 外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作，支持多进程、分布进程， 并具有高度的可靠性和安全性。每个任务均有一个优先级，动态地切换各个任务， 保证对实时性的要求。在编写程序时，可以分别编写各个任务，不必将所有任务的 各种可能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作量，而且减小了出错的可能， 保证程序具有高可靠性【2 3 1 【2 7 1 1 3 8 1 f 4 8 1 。 现在商用实时操作系统主要有：p a l mo s 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、l 3 ，n x o s 等，免费的有l i n u x 、p c o s 等，以及国内的h o p e n 、d e l t ao s 、m i n i o s 。 1 商用实时操作系统功能稳定可靠，有完善的技术支持和售后服务，但价格贵。 2 l i n u x 、# c l i n u x 对于非计算机专业的学生来说不易弄懂，【f c l i n u x 不是实时 的，仅对l i n u x 作了简化，而且运行, u c l i n u x 至少需要5 1 2 k b 的s r a m 。 3 。# c o s 、# c o s i i 是专门为嵌入式应用设计的实时内核，几乎适用于所有8 位、1 6 位、3 2 位单片机；9 0 以上与硬件无关的代码用c 语言写成，用汇编语言写 的与硬件相关的代码不足2 0 0 行：有p c 机上可运行的范例；有针对数十种知名c p u 的移植范例；有注解清晰、书写规范的全部源代码。运行p c o s 一1 1 只需要几k b 的 r a m ，十几k b 的f l a s h ，这完全可在单片机的片内实现【3 5 l 。 4 m i n i o s 是专为凌阳公司的新一代高速c p u 开发出来的，全部代码基本用汇编 语言编写，它只占用2 7 3 5 个字的程序空间和8 5 个字的r a m 空间，实时性较高。高效 的任务调度，有效的中断管理，多种任务问通信机制，核心可配置、可剪裁。除系 统必须的几个函数外只有用户应用的a p i 函数才会被链接到用户程序中，这样可 以使m i n i o s 核心程序所占空问最小。提供c 语言级调试方法，可固化。 面对上述多种各具特色的嵌入式操作系统，其实“c o s 一1 1 足一个比较好的选 6 华北电力大学硕士学位论文 择，但是由于本系统选用的核心控制器是凌阳s p e c 0 6 1 a 单片机，所以选择m i n i o s 操作系统作为本课题的软件控制系统。使用m i n i o s 开发产品，用户只需将开发重 一t l , 置于高阶流程控制，而无须关心低层的实现机制。 2 2 3机器人控制系统的总体设计 s p c e 0 6 l a m c u 开发板 图2 2 3 1机器人控制系统的总体设计框图 机器人控制系统的总体设计框图如图2 2 3 1 所示，包括单片机s p c e 0 6 1 a 开发 板模块、电源模块、图像识别处理模块、语音存储模块、环境温度检测模块、人体 感测模块、机器人运动模块、障碍物检测模块和悬崖检测模块。整个系统由三块p c b 板( 凌阳s p c e 0 6 1 a 最小开发板、图像识别处理模板和自己开发制作的p c b 板) 和 一个机器人模型组成。自己开发制作的板上集成了语音存储模块、环境温度检测模 块、人体感测模块、障碍物检测模块和悬崖检测模块。电源模块处于s p c e 0 6 1 a 开 发板上为方便起见把电源模块单独表示出来，整个系统由4 节5 号电池供电。 s p c e 0 6 1 a 对各个功能模块的i o 端口分配如表2 2 3 1 所示。 表2 2 3 1s p c e 0 6 1 a 的1 0 分配表 管脚外围功能模块 1 0 肋i o b l 、i o a l 5 语音存储模块 i o b 2 一i o b 5图像识别处理模块 i o b 7 - | o b l 5 机器人运动模块 i o a l 4 人体感测模块 l o a l 0 】o a l 3障碍物检测模块 i o a 6 一j o a 9 悬崖检测模块 i o a 5 、i o b 6环境温度检测模块 1 0 a 3 、1 0 a 4备用 i o a o 1 0 a 2按键唤醣 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4适于教学的鲜明特点 设计人性化机器人的出发点是将其作为一个教学模型来使用，因此，也就赋予 了它一些鲜明的教学特点。 1 系统采用凌阳s p c e 0 6 1 a 单片机作为核心控制器，可以与单片机课程教学挂 上钩。学生学习完“单片机原理及其应用”的课程之后，就可以开发这个系统了。 2 系统采用了与s p c e 0 6 1 a 单片机配套的m i n i o s 操作系统作为软件控制系 统。通过这个机器人教学模型，学生既可以了解和掌握一些嵌入式操作系统的技术 知识，又可以在这个模型平台上作相关的实验设计和开发，这样更有针对性和实效 性。 3 系统既有硬件设计，也有软件设计。通过硬件模块电路的设计，学生可以将 模拟电路、数字电路和单片机的知识综合运用到实践中来。设计软件时我对程序进 行了详细注释，学生可在给定程序的基础上作相应的修改，使机器人改变原来的既 定动作，这样学生学习编程的起点高、速度快。学生可以经历从设计电路、制板、 焊接、编程直到调试的一个完整过程。这不仅可以充分调动学生动手实践的积极性 和提高他们发现问题、思考问题、讨论问题的能力，而且能培养学生互相合作、互 相竞争的精神。 4 本系统有图像识别、语音识别、温度检测、人体检测、机器人运动等模块。 学生通过对这些实物模块的了解和实际设计，可以很快地掌握各种芯片的工作原 理、电机和传感器的工作原理、芯片之间的通信方式等。这比在课堂上给他们灌输 要好得多，而且本系统基本上像一个玩具，很好玩，学生在娱乐中就掌握了，可以 达到快速入门和应用的目的。 2 3小结 本章介绍了人性化机器人系统的核心控制器的选择、软件控制系统的选择、机 器人控制系统总体设计以及适于教学的鲜明特点。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章人性化机器人硬件部分的设计与实现 3 1机器人系统硬件部分各模块的设计与实现 整个人性化机器人的硬件系统包括s p c e 0 6 1 a 单片机模块、电源模块、图像识 别处理模块、语音存储模块、环境温度检测模块、人体感测模块、机器人运动模块、 障碍物检测模块和悬崖检测模块等。 3 1 1s p c e 0 6 1 a 单片机模块 3 1 1 1s p c e 0 6 1 a 单片机的系统结构 s p c e 0 6 1 a 单片机的系统结构如图3 1 。1 1 所示。 loal5-0ob5-0 图3 ，1 1 1 s p c e 0 6 1 a 单片机的系统结构图 3 ，1 ，1 2s p c e 0 6 1 a 单片机的性能特点 图3 1 1 2 “6 1 板”硬件框图 s p c e 0 6 1 a 是台湾凌阳公司的1 6 位微控器，采用模块式集成结构，以c p u 内 核为中心集成了r o m 、r a m 和功能丰富的外设接r i 部件【”。 1 6 位“n s p l ”微处理器。 功能强、效率高的指令系统。 华北电力大学硕十学位论文 工作电压：( c p u ) v d d 为2 4 3 6 v ，( i o ) v d d h 为2 4 5 5 v ：采用c m o s 制造工 艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，能用电池供电； 系统处于备用状态下( 时钟处于停止状态) ，耗电仅为和a 3 6 v 。 3 2 7 6 8 h z 实时时钟；锁相环? l l 振荡器提供系统时钟；c p u 时钟 0 3 2 m h z 4 9 1 5 2 m h z 。 内置2 k 字s r a m 和3 2 k 字f l a s h 。 具有较强的中断处理能力，中断系统支持l o 个中断向量，1 4 个中断源可来自定 时器a b 、时基、2 个外部时钟源输入、键唤醒，适合实时应用领域。 7 通道1 0 位电压模。数转换器( a d q 和单通道声音模数转换器；声音模数转换器 输入通道内置麦克风放大器和自动增益控 1 6 1 ( a g c ) 功能。 3 2 位通用可编程输入输出端口。 2 个1 6 位可编程定时器计数器f 可自动预置初始计数值1 。 2 个1 0 位d a c ( 数模转换1 输出通道。 具有较高运算速度的1 6 位x 1 6 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添 了d s p 功能，具有较强的音频处理能力。因此，s p c e 0 6 1 a 是适用于数字语音识 别应用领域产品的一种最经济的选择。 具备串行设备接口。 具有低电压复位( l v r ) 功能和低电压监测( l v d ) 功能。 内置在线仿真电路i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) 接口。 具有保密能力和w a t c h d o g 功能。 3 1 1 3s p c e 0 6 1 a 单片机开发板 “6 1 板”是以1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a 为核心的精简开发一仿真实验板，大小相当 于一张扑克牌，如图3 1 1 2 所示。“6 1 板”除具备单片机最小系统电路外，还有电 源电路、晶振电路、音频电路、复位电路等。 1 晶振电路 s p c e 0 6 1 a 集成了锁相环振荡器，只需外接晶振和电容即可，如图3 1 1 3 所示。 图3 1 1 3 晶振电路图3 1 t ，4 复位电路 2 复位电路 “6 1 板”复位电路采用简单的r c 充放电末实现 1 0 图3 1 1 5 按键电路 如图3 1 1 4 所示。j i 电时整个 华北电力大学硕士学位论文 单片机系统复位，按下s 1 键电容被放电用于手动复位。 3 按键电路 “6 1 板”提供了三个按键，可实现基本的人机交互功能，同时作为系统进入休 眠时的按键唤醒，如图3 1 1 5 所示。 4 m i c 音频输入电路 如图3 1 1 6 所示电路包括麦克录音输入及a g c 路。随着m i c 产生的波形的变 化，在m i c p 和m i c n 端v i 处形成两路反相波形，再经过两级放大，把语音信号交给 a d c 转换为数字量，然后通过单片机编程可对这些数据进行压缩和识别样本处理。 r _ j l ；r e：。 图3 1 1 6m i c 语音输入电路 图3 1 1 7 音频输出电路 5 音频输出电路 如图3 1 1 7 所示，s p y 0 0 3 0 是凌阳音频功放，最大输出功率可达7 0 0 m w 。 6 i c e 在线仿真电路 图3 1 1 8 i c e 在线仿真电路图 “6 1 板”的j f 发是通过e z p r o b e 或在线调试：器p r o b e 实现的，其电路原理图 如图3 1 1 8 所示。它们都利用了s p c e 0 6 1 a 芯片内置的在线仿真电路i c e ( i n c i r c u i t e m u l a t o r ) 和凌阳在线串行编程技术。p r o b e 使用方便、下载速度快、调试灵活， 筝 簪 华j 匕电力人学硕士学位论文 但价格较高。e z p r o b e 下载速度慢，价格较低，很适合学生使用。用它们可替代 单片机应用项目开发过程中常用的两件工具一硬件在线实时仿真器和程序烧写器。 3 1 2电源模块 电源采用四节5 号电池，其6 v 直接给机器人运动模块供电，并引出一个电源接 口给“6 1 板”供电。“6 1 板”上的电源模块如图3 1 2 1 所示，v 5 = 5 v ，v 3 = 3 3 v 。 为了获得标准的3 3 v 电压，加入了s p y 0 0 2 9 三端稳压器，其前后两组电容用束去耦 滤波，使直流电压更加干净平滑。两个二极管的作用是防止电源反接，后面的零电 阻及其电源、地分成几路目的是为了减少电磁干扰。 3 1 3图像识别处理模块 彳 图3 1 2 1 电源模块 图像识别处理模块用来识别物体的形状和颜色。图像识别控制器采用凌阳 s p c a 5 6 3 a 芯片，芯片内置a e a w b ( a u t oe x p o s u r e a u t ow h i t eb a l a n c i n g ) 功能， 能够把来自c m o s 传感器的数据处理成c i f q v g a 格式。芯片内部主要嵌入了图像捕 获单元、特征识别单元、u n s p 内核的1 6 位c p u 单元、r o m 单元等，具有颜色识别、 形状识别等功能4 4 1 【45 1 。 图像识别处理模块由光学镜头、c m o s 传感器( s p c a 5 6 1 a ) 、图像处理芯片 ( s p c a 5 6 3 a ) 组成，如图3 1 3 1 所示。 e ： 际磊，晤面，厂磊 【埘徽吲；微第酬s p 歉c a 取5 6 3 酣a 矧s 黧a j i 蚓3 1 3 1 图像识别处理模块与微控器s p c e 0 6 1 a 的连接框图 s p c a 5 6 3 a 对c m o s 传感器s p c a 5 6 1 a 传过来的图像信号具有分解功能， 经分析和处理后得出相应的颜色和形状等信息，并把需要的内容存贮到对应的地址 中。s p c a 5 6 3 a i s p c e 0 6 1 a 的接口共有6 条线，s p c a 5 6 3 a 的g n d 、s c k 、s d a 、 1 2 华北电力大学硕士学位论文 r d y 、3r e s e t 和v c c 依次接s p c e 0 6 1 a 的g n d 、l o b 2 、i o b 3 、i o b 4 、i o b 5 、+ 5 v ，c p u 可以通过读取图像特征寄存器中的内容来获得数据。 3 1 3 1s p c a 5 6 3 a 的性能特点 有8 位c m o s 图像传感器接v i ，3 0 f p s 的q q v g a ( 1 6 0 1 2 0 ) 、q v g a ( 3 2 0 2 4 0 ) 图像； 具有在黑暗处补偿和消噪的功能； 具有图像插补和色彩修正的功能； 具有图像( 灰度) 校j 下、亮度校正、非线性校j 下的功能； 可分辨7 种颜色，能同时分割获得7 种目标物体的尺寸、位置并把结果存贮在对 应的r a m 地址中； 具有串行通信接口和外接r o m 、r a m 的接口； 内嵌r o m 代码：a e a w b 控制代码；形状识别代码( 目前可以识别圆形、三角 形、正方形、长方形、五角形) ；串行通讯子程序。 3 1 3 2s p c a 5 6 3 a 的体系结构 s p c a 5 6 3 a 内部结构框图如图3 1 3 2 所示，它包含1 6 位的u n s p 内核c p u 、c d s p 、 特征寄存器、传感器接口、p l l 、串行数据接口、2 k 字r a m 、1 6 k 字r o m 。 孽c 弱 k d i l a ：u e 髓 网 a 上b l ，： | n 忑墓“ l 刈s e a s o t ? 弋一 i 三? o l r d l l l r _叫j r t l e t l a t e c m o s 。 u。 s e r t , o t c p u l 6 n i e 哟c e i ，1 ) 潞jf 哪e a m e：网opt啪al 图3 1 3 2s p c a 5 6 3 a 体系结构图 3 1 3 3s p c a 5 6 3 a 的内嵌代码与其他单元通信的读写时序 s p c a 5 6 3 a i 拘内嵌代码与其他单元互通信息时的凄写时序如图3 1 3 3 所示。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 r 日_ ，c ，c i e l i 一一i illll i il i l ， - 卜 卜 卜1 卜1 卜 卜 卜1 卜 卜 卜 卜 卜 h z- l_ _ - 1 _ h r h i _ 十llill i 1 _ r t t m i 1 1 1 li 11 1 图3 1 3 3s p c a 5 6 3 a 的内嵌代码与其他单元通信时的读写时序 3 1 3 4s p o a 5 6 3 a 与s p c e 0 6 1 a 通讯时序 s p c a 5 6 3 a 与s p c e 0 6 1 a 的通讯属于串行通讯，时序图如图3 1 3 4 所示。 s c k 几几几几几几n 几几几r _ 几几几几几n 几几广一 s o - - - 刈a aa 一：i 强p 。, a