學(xué)校名稱

 長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

鄒智強

201457050125

電子信息工程

  男

2014年

 郭揚錚

201457050106

電子信息工程

  女

2014年

 屠君超

201457050120

電子信息工程

  男

2014年

指導(dǎo)教師

馬鈞

職稱

講師

項目所屬

一級學(xué)科

控制科學(xué)與工程

項目科類(理科/文科)

   理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

項目負責人和課題組成員均為電子信息工程及自動化等相關(guān)專業(yè)本科生，已進入學(xué)校創(chuàng)新實驗室學(xué)習一年以上,對于單片機編程已經(jīng)相當熟悉，且有一定的ARM嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)。且熟練掌握C/C++、Linux環(huán)境編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、且具有一定的算法設(shè)計能力以及PCB設(shè)計能力、承擔過一些單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)項目、開關(guān)電源設(shè)計以及機器人競賽。團隊成員曾在各級科技競賽中多次獲獎，獲獎情況如下：

項目負責人鄒智強：

2016年中國國教育機器人大賽全國一等獎

2016年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽模擬電子系統(tǒng)專題邀請賽全國二等獎

2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計競賽省二等獎

2016年長沙理工大學(xué)科技立項校一等獎

2016年長沙理工大學(xué)“電苑杯”電子設(shè)計競賽校二等獎

2016年長沙理工大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)大賽校二等獎

2016年長沙理工大學(xué)“創(chuàng)青春”創(chuàng)業(yè)大賽校二等獎     

項目成員王料豐：

2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計競賽省一等獎

2016年長沙理工大學(xué)“物電杯”電子設(shè)計大賽校二等獎

項目成員郭揚錚：

2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計競賽省一等獎

2016年長沙理工大學(xué)“電苑杯”電子設(shè)計大賽校二等獎

2016年長沙理工大學(xué)“創(chuàng)青春”創(chuàng)業(yè)大賽校二等獎

2016年長沙理工大學(xué)“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)大賽校二等獎

項目成員屠君超:

   2016年長沙理工大學(xué)“電苑杯”電子設(shè)計大賽校二等獎

   2016年長沙理工大學(xué)科技立項校一等獎

   2016年長沙理工大學(xué)“物電杯”電子設(shè)計大賽校三等獎

指導(dǎo)教師承擔科研課題情況

1. 主持2013年國網(wǎng)湖南省電力公司科學(xué)研究院項目，項目名稱：“配電自動化系統(tǒng)一致性測試技術(shù)的研究”， 2013年4月~2014年9月（結(jié)題）；

2. 主持2012年湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計劃項目，項目名稱：“智能配電網(wǎng)通信安全裝置的研制”,項目編號：2012GK3053（結(jié)題）；

3. 主持2010年湖南省高校重點實驗室項目“智能電網(wǎng)公共網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護研究”（結(jié)題）。

4. 主持2014年省教育廳項目“基于IEC61968標準和營配信息融合的配電網(wǎng)公共信息模型建模方法研究”，項目編號：14C0023（在研）。

項目研究和實驗的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

一、項目研究的目的

隨著科技的發(fā)展，機器人的應(yīng)用將越來越廣泛。分揀搬運機器人是一種能夠?qū)ξ矬w進行分類整理以及搬運的機器人，現(xiàn)在一般的分揀搬運機器人主要依靠尋跡功能，僅能簡單識別物體顏色，并依靠單一的動作設(shè)置來完成任務(wù)。在面對復(fù)雜環(huán)境，或者環(huán)境特征變化是，這種機器人的工作性能就會受到影響，甚至不能正常使用。為了進一步提高分揀搬運機器人的智能化和實用化水平，我們開展本項目的研究，其主要目的是：

   （1）解決當前主流分揀搬運機器人環(huán)境適應(yīng)能力差、智能化水平不高的問題，讓機器人能夠應(yīng)對比較復(fù)雜的環(huán)境，能夠識別比較復(fù)雜的物體。

   （2）提高分揀搬運機器人的語音識別能力，使其能夠接收語音指令并實施搬運任務(wù)。

二、研究內(nèi)容

   本項目主要致力于研究機器人經(jīng)過語音教導(dǎo)與記憶，通過視覺導(dǎo)航與圖像識別來完成一些物塊的分類與搬運、以及整理貨物等功能。本項目主要研究內(nèi)容如下：

   （1）研究機器人語音識別模塊，通過此模塊，機器人能對用戶說的話進行識別分析，用戶能通過語音對機器人下達搬運命令。

（2）研究機器人通過攝像頭采取圖像識別以及超聲波測距等手段，來進行簡單地形的導(dǎo)航分析和物塊的識別與分類功能。

（3）研究機器人的記憶功能，使其在用戶不使用語音的情況下自動執(zhí)行用戶想要執(zhí)行的任務(wù)，也就是定時執(zhí)行功能。

（4）研究提高分揀機器人搬運物塊到指定地點的可靠性問題。

（5）研究機器人通過無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，進行遠程監(jiān)控，以及程序在線升級等。

三、要解決的主要問題

   （1）解決當前主流分揀搬運機器人環(huán)境適應(yīng)能力差、智能化水平不高的問題，讓機器人能夠應(yīng)對比較復(fù)雜的環(huán)境，能夠識別比較復(fù)雜的物體。

   （2）提高分揀搬運機器人的語音識別能力，使其能夠接收語音指令并實施搬運任務(wù)。

（3）重點解決機器人數(shù)字圖像處理的問題，這是視覺識別的關(guān)鍵。為了解決這一問題，需要掌握OPENCV的視覺庫來進行圖像處理，并需要掌握支持OPENCV的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)研究狀況：

近十年來，國內(nèi)機器視覺技術(shù)制造商發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出很多優(yōu)秀的公司。其中北京大恒圖像視覺有限公司研制的系統(tǒng)是自主研發(fā)的基于視覺技術(shù)的 PCB外觀檢查系統(tǒng)。檢測精度高、速度快，系統(tǒng)實現(xiàn)對 PCB 無遺漏、全幅面檢測。機器視覺在機械手上的應(yīng)用也取得了一定的成果。中科院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)實驗室開發(fā)的 CASIA-I 型機器人是集多種傳感器，視覺，語音識別與會話功能與一體的智能移動機器人。博創(chuàng)科技自主研發(fā)的小型排爆機器人 RAPTOR-EOD，該排爆機器人可以幫助排爆人員可以在遠距離以無纜操作方式對機器人進行精確操作。

國外研究狀況：

目前，機器視覺技術(shù)已經(jīng)從最初的實驗室階段逐漸走向成熟，并且在工業(yè)生產(chǎn)線上已經(jīng)有實際應(yīng)用。德國、日本、美國和韓國處在智能工業(yè)機器人領(lǐng)域應(yīng)用研究的前沿。日本從最初的模仿到現(xiàn)在的獨創(chuàng)，找到了自己的技術(shù)創(chuàng)新之路。德國西門子公司也緊跟著時代的步伐，將機器視覺滲透到各個領(lǐng)域，應(yīng)用到汽車發(fā)動機裝配，生產(chǎn)線工件分揀等領(lǐng)域。美國更是機器人技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)源地，其機器視覺廣泛應(yīng)用在工業(yè)和軍事上，機械手經(jīng)銷商，包括 Fanuc 公司，Motman 公司和 Staubli 公司都推出了“揀選”系統(tǒng)。

今后機器人將逐漸向智能化發(fā)展，其語音識別和視覺識別在機器人上的應(yīng)用實例也越來越多，但是目前仍然存在著很多難以攻克的技術(shù)難點，多變的環(huán)境、復(fù)雜的地形；技術(shù)的保密性使得科研成果不能共享，從而造成相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)重新開發(fā)等問題。

本項目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

項目組成員已經(jīng)掌握了電子與自動化技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論知識以及專業(yè)知識，有較強的電路設(shè)計能力，曾經(jīng)參加過各種校級省級和國家級別的電子設(shè)計大賽并取得了較好的成績。

在機器人方面，項目組成員對于語音識別方案及其實現(xiàn)、機器人視覺識別環(huán)境的搭建、以及簡單的二維形狀檢測都已完成。對于語音識別模塊，我們已經(jīng)對于簡單的8字以內(nèi)的中文語音識別做過前期實驗與測試，識別度較高。而對于電機驅(qū)動，電源模塊，攝像頭模塊等，我們都已掌握并做過相關(guān)的創(chuàng)新實驗或者設(shè)計。

項目負責人參加了全國教育機器人大賽并獲得了國家一等獎證書，其參賽題目就是一個分揀機器人，機器人可以在規(guī)定的軌跡地圖上行走，并且可以識別地圖上分散的物塊顏色，并將其分類搬運到指定位置，所以對機器人的運作方式也十分了解。

項目的創(chuàng)新點和特色

1、項目采用語音控制和語音訓(xùn)導(dǎo)技術(shù)，機器人通過與用戶的語音溝通能完成用戶所給定的搬運任務(wù)，第一次執(zhí)行搬運任務(wù)會需要人工語音教導(dǎo)哪種物塊該放在哪個區(qū)域，之后機器人將不需要第二次人工教導(dǎo)，將會自動將此類物塊放到指定區(qū)域。

2、項目采用視覺識別傳感技術(shù)，通過攝像頭將圖像信息傳送給處理器，經(jīng)過計算分析實現(xiàn)物塊的識別、分類以及路線導(dǎo)航。

3、能通過WIFI模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，能對機器人實行遠程監(jiān)控和在線升級更新。

項目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

一、技術(shù)路線

機器人系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示，整個系統(tǒng)可以分為以下主要部分：電源模塊、控制模塊、攝像頭模塊、語音模塊、電機驅(qū)動模塊。其中攝像頭是機器人的眼睛，可以對物體進行識別，包括形狀檢測和顏色檢測；語音識別模塊是機器人的耳朵，可以聽取用戶所要求的任務(wù)信息；控制模塊是機器人的大腦，對于語音識別模塊采集的語音信號進行分析然后確立搬運方案，對攝像頭采集的圖像信號進行查找目標、分析確定行程路線、分析物塊形狀、分析物塊顏色，從而確定搬運目的地；電機驅(qū)動模塊是機器人的手和腳，手是機器人的機械臂，腳是機器人的輪子，機械臂可以更好的抓取并搬運物塊，輪子能使機器人運行到工作區(qū)域的各個位置；而電源模塊是機器人的心臟，用于給所有模塊供電，保證其正常的運行。

圖1機器人系統(tǒng)整體設(shè)計方案

  （1）電源模塊

   模塊采用兩節(jié)帶保護板的18650并聯(lián)電池供電，經(jīng)過一個DC/DC升壓模塊，將電源電壓穩(wěn)定到5V供電，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3將其降壓到3.3V給芯片供電。一般鋰電池放電到2.8V就會被保護板自動斷電，如果直接采用兩節(jié)電池串聯(lián)通過7805供電的話，那么當電壓降到5.6V時，7805會因為輸入輸出電壓差值不夠，而使輸出電壓下降到低于5V，這時對于電機的供電驅(qū)動就會和5V時候不一致，會導(dǎo)致原來設(shè)置好的轉(zhuǎn)動角度以及其他的新能參數(shù)有偏差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不正常工作，而采用升壓的方案就不會因為鋰電池放電導(dǎo)致低電壓，從而保證系統(tǒng)正常工作。

   （2）主控單元模塊

   該模塊作為機器人的大腦，對攝像頭和麥克風傳入的信號進行分析處理，再通過GPIO控制電機使機器人動起來。主要由處理器、SRAM、flash/EEPROM、GPIO、WIFI等部分組成。本項目將采用ARM Cortex A系列的處理器作為核心，ARM公司的Cortex-A系列處理器適用于具有高計算要求、運行豐富操作系統(tǒng)以及提供交互媒體和圖形體驗的應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于本項目需要進行數(shù)字圖像處理和嵌入式開發(fā)，對于數(shù)字計算的能力要求較高，我們將采用Cortex A8以上級別的芯片。

   （3）語音模塊

該模塊作為機器人的耳朵，用于聽取命令，使機器人按照命令執(zhí)行任務(wù)。主要由麥克風、放大器、專業(yè)芯片組成。為了簡化機器人的編程難度，我們將選用一個語音識別專用芯片—LD3320。LD3320芯片由ICRoute公司設(shè)計生產(chǎn)。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片在設(shè)計上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。并且，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的。

主要特征有： 

l  1、通過ICRoute公司特有的快速而穩(wěn)定的優(yōu)化算法，完成非特定人語音識別。不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音，識別準確率95%。 l 

2、不需要外接任何輔助的Flash芯片，RAM芯片和AD芯片，就可以完成語音識別功能。真正提供了單芯片語音識別解決方案。 l 

3、每次識別最多可以設(shè)置50項候選識別句，每個識別句可以是單字，詞組或短句，長度為不超過10個漢字或者79個字節(jié)的拼音串。另一方面，識別句內(nèi)容可以動態(tài)編輯修改, 因此可由一個系統(tǒng)支持多種場景。 l 

4、芯片內(nèi)部已經(jīng)準備了16位A/D轉(zhuǎn)換器、16位D/A轉(zhuǎn)換器和功放電路，

麥克風、立體聲耳機和單聲道喇叭可以很方便地和芯片管腳連接。立體聲耳機接口的輸出功率為20mW，而喇叭接口的輸出功率為550mW，能產(chǎn)生清晰響亮的聲音。 l  

5、支持并行和串行接口，串行方式可以簡化與其他模塊的連接。 l  

6、可設(shè)置為休眠狀態(tài)，而且可以方便地激活。 

l  7、工作供電為3.3V，如果用于便攜式系統(tǒng)，使用3節(jié)AA電池就可以滿足

   （4）攝像頭

攝像頭將采用OV7670攝像頭，體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸入整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應(yīng)用獨有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

    對于機器人數(shù)字圖像處理的問題，由于我們并沒有系統(tǒng)的學(xué)習過數(shù)字圖像處理，而數(shù)字圖像處理本身就是一個大難點，導(dǎo)致視覺識別是我們需要重點突破的地方。為了解決這一問題，我們將采用OPENCV的視覺庫來進行圖像處理。OpenCV的全稱是：Open Source Computer Vision Library。OpenCV是一個基于BSD許可（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效—由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。由于OPENCV只支持于一些操作系統(tǒng)的環(huán)境下，所以在嵌入式系統(tǒng)這一方面，我們也需要全面的學(xué)習。優(yōu)先選擇嵌入式Linux。

   （5）電機驅(qū)動模塊

   電機模塊主要分為輪子電機和機械臂的電機，輪子控制機器人位置的移動，機械臂控制機器人更好的抓取物塊。電機主要采用伺服電機，伺服電機具有很好的精準度，非常適合用于機器人上。通過給予伺服電機一系列脈沖信號，電機即可根據(jù)脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)固定的角度。而對于電機供電方面，需要單獨供電與主控制電路隔離開來，這樣可以有效保護主電路穩(wěn)定性。

   （6）軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于Linux平臺開發(fā)以及模塊單片機開發(fā)，其語音模塊上就有一個單片機，用于語音解碼，將語音信號翻譯成搬運任務(wù)信號。主控單元搭載Linux操作系統(tǒng)，用于接受搬運任務(wù)信號、接受攝像頭的圖像信號、輸出電機控制信號、進行圖像處理和整個機器人的信號交互與處理。

程序開始處于待機狀態(tài)，等待用戶的語音命令。這時主控單元等待語音模塊的信號響應(yīng)，語音模塊檢測到語音命令后會解析命令并向主控單元發(fā)送中斷信號以及經(jīng)處理過得搬運任務(wù)信號，主控單元響應(yīng)中斷信號并接受任務(wù)信息，同時將信息存入Flash。

接下來采用視覺導(dǎo)航和超聲波模塊來搜索物塊。找到物塊后，對物塊進行圖像分析識別出物體的形狀和顏色進行歸類。以確定要送到的目標地，并進行搬運。最后找到目標地并將物塊放入目標地。程序判斷是否執(zhí)行完所有操作，如果沒有完成，繼續(xù)執(zhí)行搬運任務(wù)。

機器人搬運程序流程圖如圖2所示

                                  圖2機器人搬運程序流程圖

二、預(yù)期成果

1．項目總結(jié)報告一份。

2．制作分揀搬運機器人實物一件。

3. 論文一篇或申請專利一項。

  年度目標和工作內(nèi)容（分年度寫）

進度安排：

（1）2016年11月至2017年2月，完成資料的收集以及方案的確立

（2）2017年3月至8月，進行圖像處理、嵌入式系統(tǒng)等知識的深入學(xué)習以及實驗應(yīng)用。

（3）2017年9月至10月，完成機器人硬件電路的設(shè)計與實物搭建。

（4）2017年11月至12月，完成程序算法等軟件設(shè)計。

（5）2018年1月至3月，完成整個機器人的調(diào)試與測試。

（6）2018年4月至6月，編制研究工作總結(jié)報告，發(fā)表論文或?qū)＠?，準備結(jié)題。

指導(dǎo)教師意見

人工智能技術(shù)已經(jīng)滲透進我們生活的方方面面，正日益成為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的引擎。選擇分揀搬運機器人作為創(chuàng)新項目正是適應(yīng)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,其中的語音控制和視覺圖像也是應(yīng)用廣泛的實用技術(shù)，體現(xiàn)了本項目以需求為導(dǎo)向的用意。項目所選處理器ARM Cortex A的應(yīng)用，以及在視覺圖像識別所需C/C++編程上具有一定難度；把語言控制和圖像識別兩種技術(shù)融合進機器人的感知系統(tǒng),也需要一定的綜合應(yīng)用能力。

 項目組成員均來自創(chuàng)新實驗室，參加過機器人和各級電子設(shè)計競賽并獲獎，有能力在已學(xué)機器人技術(shù)基礎(chǔ)上做好本項目的研究、設(shè)計和制作工作。

本項目具有很好的實用性，開展本創(chuàng)新研究有助于提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，同意申報該項目。

簽字：  馬鈞       日期：2017.4.13