一种基于ismart的智引机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是指一种基于ismart的智引机器人。

背景技术

随着旅游业的蓬勃发展及旅游资源的不断开发，传统旅游发展方式中的种种弊端已成为旅游业进一步发展的严重障碍。2019年国内旅游业人数为60.1亿人次，而我国正式导游和临时导游共计约100万人，研究表明传统导游业人力资源紧缺，并且传统导游业还存在人才培养难度大，成本高，耗时长，服务不灵活，覆盖人群不够广等问题。

从时代发展趋势来看，在机器人、人工智能、大数据等技术日渐兴起的情况下，智能化、智慧化转型升级正在成为各行各业的发展方向，旅游行业也不例外。目前，一些著名景点、博物馆、展览馆等景区相继出现了导游机器人；不过这些机器人大部分不具备行动能力，在陪伴属性上有所缺陷，它们主要负责在景区提供定点讲解、指路、推荐等服务。

所以，一种覆盖人群广、服务灵活的基于ismart的智引机器人成为人们亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统导游不能适应现代旅游需求多样性、多变性发展的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于ismart的智引机器人，包括车体、固定于车体内部的硬件电路结构以及控制硬件电路结构工作的控制软件；

所述车体包括外壳、连接件、电机悬架、硬件支撑板、保险杠以及车轮；

所述外壳前部设有若干开孔，上部前端设有开关孔；所述连接件上部固定于外壳内部且关于外壳纵向轴线对称设置，下部与电机悬架固定连接；所述硬件支撑板位于两电机悬架中心且固定于外壳内部；所述保险杠通过外壳前部的开孔固定于外壳前端；所述车轮位于外壳下部与硬件电路结构转动连接；

所述硬件电路结构包括开关、光电传感器模块、单片机、电机、电机驱动模块、电池、树莓派、四通道麦克风扩展板、USB摄像头、舵机以及测距定位模块；

所述开关、光电传感器模块、单片机、电机、电机驱动模块、电池、树莓派、四通道麦克风扩展板、USB摄像头、舵机以及测距定位模块之间电性连接；

所述开关设置于外壳上部的开关孔内；所述光电传感器模块通过外壳前部的开孔与外壳固定连接并设有三个，所述单片机固定于硬件支撑板上，所述光电传感器模块输出端与单片机连接进行数据互通；所述电机固定于电机悬架上，所述电机驱动模块驱动电机转动进一步带动与电机转动连接的车轮转动；所述电池为整个硬件电路结构供电；所述树莓派固定于硬件支撑板上，所述树莓派控制四通道麦克风扩展板进行语音采集与识别；所述USB摄像头与舵机之间固定连接，所述树莓派控制舵机移动从而带动USB摄像头移动，所述USB摄像头对周围环境进行图片与视频采集；所述测距定位模块采用UWBLOC技术进行精确测距与定位；

所述控制软件包括手机APP、微信小程序以及Web网页。

进一步的，所述外壳材质为铝材质。

进一步的，所述电机前后设有两个，所述电机采用RoboMasterRM35直流伺服电机。

进一步的，所述电机驱动模块采用双路直流电机驱动模块。

进一步的，所述车轮设有四个，前后各两个，分别与前后电机转动连接，所述车轮采用充气轮。

进一步的，所述电池采用锂电池。

进一步的，所述四通道麦克风扩展板型号为ReSpeaker 4-Mics Pi HAT。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在微信小程序端提供定位导航、景点搜索、餐饮搜索等功能，进行景点产品推荐；在旅游过程中，游客通过携带UWB标签从而实现机器人自动跟随；树莓派+百度语音接口使人机交互更加高效，高清辅助拍照并自动添加表情包使旅游体验更加丰富；Web网页端实现机器人产品监控、数据更新和旅游文化产品的各项服务。

附图说明

图1是本发明一种基于ismart的智引机器人的结构示意图。

图2是本发明一种基于ismart的智引机器人的外壳的结构示意图。

图3是本发明一种基于ismart的智引机器人的连接件与电机悬架的组装结构示意图。

图4是本发明一种基于ismart的智引机器人的硬件支撑板的结构示意图。

图5是本发明一种基于ismart的智引机器人的外壳、连接件、电机悬架以及硬件支撑板的组装结构示意图。

图6是本发明一种基于ismart的智引机器人的电机驱动模块的系统框架图。

图7是本发明一种基于ismart的智引机器人的硬件控制流程图。

图8是本发明一种基于ismart的智引机器人的“基站-标签”数学模型图。

如图所示：1、车体，2、外壳，3、连接件，4、电机悬架，5、硬件支撑板，6、保险杠，7、车轮，8、开孔，9、开关孔，10、开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于ismart的智引机器人做进一步的详细说明。

本发明的工作原理：

利用光电传感器模块进行避障的工作原理：

光电传感器输出指示灯在输出为0时点亮，输出为1时熄灭，也就是遇到障碍物亮没有就灭。小车前端左、中、右各安装了一个避障模块，输出接口分别与单片机的PB.3、PB.4、PB.5接口相连。当避障传感器没有检测到障碍时，红外线几乎都被吸收了而没有返回，接收管几乎没有接收到红外线。接收管内部的电阻随接收到红外线多少而变化，此时电阻变得很大导致接收管不会导通。在电路中由于10K上拉电阻的作用，Va+＝VCC,此时Va-连接的是一个可调的滑动变阻器，所以它的电压在0～VCC间变化，应用时将变阻器调到适当的位置，让Va-大于0小于VCC。那么根据比较器的知识Va+实质上是比较器的一个门限电压，当Va-小于Va+时，A输出端输出高电平信号；而当避障传感器有检测到障碍时，红外线返回被接收管接收到大量的红外线，电阻就非常小导致接收管导通，Va+的电平几乎为0，Va-的电平没有变化。所以Va-大于Va+，此时A输出端输出低电平信号。因为接收管接收光线多少的不同使内部电阻时刻在变化导致Va+的电平变化，此时通过调节滑动变阻器的阻值改变Va-的值就能改变避障灵敏度，改变检测距离。

UWBLOC技术进行精确测距与定位的工作原理：

本发明自动跟随方案是基于三基站一标签的定位方法，运用了DecaWave公司的DW1000芯片做测距。实施各种控制方案来维护和优化收发器性能。按照数据手册上应该最小误差在10厘米以内。DW1000的最远传输距离为450米(直视距离，非直视距离为45米)。芯片功耗低，可双向测距和定位，可作为室内定位。

超宽带(UWBLOC)技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps以上)、发射功率较低、穿透能力较强，并且基于极窄脉冲的无线定位技术，无载波。UWBLOC一般采用基于距离的定位算法。目前，最常用的定位算法主要有：信号到达角度定位(AOA)、信号强度分析法(RSS)、到达时间定位(TOA)、到达时间差定位(TDOA)等。

本发明采用到达时间差定位(TDOA)算法，TDOA是根据发射端发出信号到达不同基站的时间差，计算出移动台(即移动目标携带装置)到基站间的距离。由移动台到两个基站的距离差得到一条双曲线，要求解日标点的坐标至少需要3个基站双曲线方程组。TDOA方法不需要基站与移动台时钟同步，只需要基站之间的时钟同步即可。通过UWBLOC技术中的到达时间(TOA)定位算法，计算出人对于机器人的相对位置，实现机器人对人的跟随。移动机器人在室内或室外环境中移动时，机器人上安装有3个UWBLOC跟随模块传感器作为基站，人和机器人处在同样环境中，身上穿戴有一个UWBLOC跟随模块传感器作为标签，假设人初始时刻已被机器人锁定。3个基站按等边三角形三个顶点位置固定在移动机器人上，用来发射UWB信号，标签接收到信号后，通过TOA算法可算出标签分别距3个基站的距离，并通过几何运算得到人相对于机器人的位置。

坐标模型及定位算法机器人和人所处的环境是三维空间，以机器人本身为参考系建立一个局部坐标系统。定义3个基站位置距离AB、BC、AC均为a；定义BC边上的高所在延长线为y轴，y轴正向与机器人自身的方向一致；3个基站构成的等边三角形AB边的中点为O(0，0，O)；标签坐标为M(x，y，z)，其中z为标签到基站所在水平面的高度；等边三角形的中心为H。

根据3个基站到标签的距离，通过解析几何可以算出标签M在等边三角形所在平面的投影M点到等边三角形中心的距离：

(1)、标签M在等边三角形所在平面的投影M’点与等边三角形中心H点的连线，即MH与y轴的夹角即方位角：

(2)、获得L和θ之后，即可确定人相对于小车的位置，由θ控制小车转向角度，L控制小车车轮转速。由此，人的位置坐标可以表示为(L，θ)，即确定出人相对于机器人的位置信息，所得位置误差范围在±100mm以内，位置信息基于机器人和人直接计算，不存在累积误差利用人相对于机器人的坐标，机器人实现跟随的步骤为：

①机器人根据人的位置坐标，解算出人在以机器人本身为参考坐标系中x，y方向的偏移量；

②机器人在x方向上移动，最终使人在坐标系中x方向的偏移量为零；

③机器人在y方向上移动，最终使人在坐标系中y方向的偏移量为零；

④当人在坐标系中x，y方向的偏移量都为零时，即机器人此时到达人的位置，从而实现跟随。

结合附图1-8，对本发明进行详细介绍。

一种基于ismart的智引机器人，包括车体1、固定于车体1内部的硬件电路结构以及控制硬件电路结构工作的控制软件；

所述车体1包括外壳2、连接件3、电机悬架4、硬件支撑板5、保险杠6以及车轮7；

所述外壳2前部设有若干开孔8，上部前端设有开关孔9；所述连接件3上部固定于外壳2内部且关于外壳2纵向轴线对称设置，下部与电机悬架4固定连接；所述硬件支撑板5位于两电机悬架4中心且固定于外壳2内部；所述保险杠6通过外壳2前部的开孔8固定于外壳2前端；所述车轮7位于外壳2下部与硬件电路结构转动连接；

所述硬件电路结构包括开关10、光电传感器模块、单片机、电机、电机驱动模块、电池、树莓派、四通道麦克风扩展板、USB摄像头、舵机以及测距定位模块；

所述开关10、光电传感器模块、单片机、电机、电机驱动模块、电池、树莓派、四通道麦克风扩展板、USB摄像头、舵机以及测距定位模块之间电性连接；

所述开关10设置于外壳2上部的开关孔9内；所述光电传感器模块通过外壳2前部的开孔8与外壳2固定连接并设有三个，所述单片机固定于硬件支撑板5上，所述光电传感器模块输出端与单片机连接进行数据互通；所述电机固定于电机悬架4上，所述电机驱动模块驱动电机转动进一步带动与电机转动连接的车轮7转动；所述电池为整个硬件电路结构供电；所述树莓派固定于硬件支撑板5上，所述树莓派控制四通道麦克风扩展板进行语音采集与识别；所述USB摄像头与舵机之间固定连接，所述树莓派控制舵机移动从而带动USB摄像头移动，所述USB摄像头对周围环境进行图片与视频采集；所述测距定位模块采用UWBLOC技术进行精确测距与定位；

所述控制软件包括手机APP、微信小程序以及Web网页。

所述外壳2材质为铝材质。

所述电机前后设有两个，所述电机采用RoboMasterRM35直流伺服电机。

所述电机驱动模块采用双路直流电机驱动模块。

所述车轮7设有四个，前后各两个，分别与前后电机转动连接，所述车轮7采用充气轮。

所述电池采用锂电池。

所述四通道麦克风扩展板型号为ReSpeaker 4-Mics Pi HAT。

本发明一种基于ismart的智引机器人的具体实施过程如下：

当游客到达某个景区时，利用微信小程序扫描二维码打开装有标签的盒子，拿到让机器人跟随的UWB标签从而使机器人跟随游客；在游览过程中游客通过语音与机器人进行人机交互，机器人通过四通道麦克风扩展板语音识别并可以播放景区相关视频，还能够通过摄像头为游客拍照；游客能够通过GPS定位随时找到小车的位置，对产品进行使用，同时游客还可以在微信小程序端查看景区的特色产品视频等，并进行购物；管理人员能够通过Web网页监测机器人的位置，Web网页同时还可以起到一定的宣传作用。

本发明在微信小程序端提供定位导航、景点搜索、餐饮搜索等功能，进行景点产品推荐；在旅游过程中，游客通过携带UWB标签从而实现机器人自动跟随；树莓派+百度语音接口使人机交互更加高效，高清辅助拍照并自动添加表情包使旅游体验更加丰富；Web网页端实现机器人产品监控、数据更新和旅游文化产品的各项服务。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。