2020年第12期信f、通信2020
(总第 216 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No 216)
冯珊珊
(辽宁建筑职业学院，辽宁辽阳111000)
摘要：随着物联网时代的到来，智能机器人在我们曰常生活、工作中正在逐渐普及。因此，文章以智能家庭机器人为例，基于物联网技术为核心的智能机器人的技术进行了分析，并针对其在运行中经常出现的运行路径精度不足和控制困难等问题，尤其是难以在最短时间内规划最佳路径的问题，以及在复杂环境下难以准确避开障碍物等方面的问题，提出强 化物联网智能机器人运行路径感知的优化技术方案，以更好地促进其应用成效的提升。 关键词：物联网时代；智能机器人；应用
中图分类号:TP242.6 文献标识码:A文章编号:1673-1131( 2020 )12-0146-03
物联网时代下的智能机器人的应用，主要取决于是否有 着较强的技术实力，因此需要我们以需求为导向，切实强化对 其设计要点的掌握。本研宄选取的应用领域以智能家居中的 智能家庭机器人为例，并基于机器人运行路径感知的需要，从 定位技术的视角对其应用方案进行完善，以实现更好地确保 其应用的成效。
1常见家庭机器人的整体结构设计
物联网时代的到来，越来越多的基于物联网的智能设备 在我们的家庭中应用。本研宄选取的家庭机器人的整体结构 设计如下。在设计过程中，该结构融合了多个模块，具体详见 图1所示•其中处理核心采用树莓派，采用的系统是LIN U X 系统，每个模块之间的连接，采用的是STM32芯片。其底部、中部、上部、头部的组件及模块详见表1所示： 图1家庭机器人整体结构
表1家庭机器人各部位的模贼布一览表
机器人部位楔块与部件
底盘直流减逋电机SL A M W A R E模块激光坩达超产坡桟块自动充电模块中部功放模块锂电池组烟雾检测楔块
久部蛇机云台遥控模块摄像头模块心率检测模块
2常见家庭机器人的系统硬件设计
2.1数据处理设计要点医院用筋膜仪
在家庭机器人设计中，为切实强化对其的硬件设计，需要 切实做好数据处理设计工作。本研宄选取的家庭机器人中的 数据处理核心为树莓派(4B)，同时采用STM32芯片与每个硬 件模块连接，采用M C U辅助技术，对每个硬件模块进行数据 处理。树莓派数据处理核心中应用的是64位4核CPU，采用 的是0〇1^-八72架构，主频为1.5〇112，有着十分强悍的性能，加上集成式的双拼W i-F i模块和蓝牙5.0模块，从而为连接互 联网与居家智能设备提供了支持，再加上设置的外置存储器，使得在数据读写性能上得到保障，主要是在L IN U X系统以及 W1N10( IoT Core)中采用，提供了图形界面与SDK支持，使得 开发更加简单和便捷，尤其是在程序线程处理方面具有高效 和简单的特点，使得系统得以稳定运行。
2.2语音交互设计要点
这一模块的结构具体设计中包含了环形麦克风阵列模
收稿日期:2020-11-30
作者简介：冯珊珊(19810，女，工程硕士，辽宁建筑职业学院，副教授，主要研宄方向应用电子技术、信息化教学。
5其他功能
除以上功能外，省级控制中心还应满足会议信号的录制 及复制、电视信号接入、控制中心信号采集、系统信号实时监 测、传输线路检测等功能。
6结语
得益于新技术尤其是信息技术的不断发展，电视会议作 为新的通信技术不断突破技术屏障，使面对面的交流不再受 地域和空间的限制。高清电视会议系统画面清晰、流畅，音质 更好，音、视频同步性更强，信息交换的时效性、准确性和安全 性均有提髙。省级控制中心作为全国性电视会议网络重要的 一环，其设计方案兼顾实用性及可拓展性。作为全国性电视会议服务系统，稳定性、安全性是系统的基本要求，长期优质、
高效的服务则是获得用户认同感的有效途径。
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块、功放模块和语音增强核心，具体详见图2。在设计中，秉 承交互式设计理念。由于家庭机器人用
于室内，所以在语音 识别环境设计上要以室内环境为模拟环境，与移动手持终端 进场语音交互相比，在交互环境上较为复杂，声源位置又在 不断发生变化，同时还伴随着各种噪声、混响和回升。因此， 为满足远场语音识别的需要，应加大语音前端终端与算法的 处理。本设计釆用的是“环绕形6+1”的麦克风阵列，并采用 语音増强模块算法，使得远场在拾音与抑噪方面的能力得以 保障。麦克风阵列拾音过程较为复杂，本研宄将其简化描 述，其流程图详见图2中的语音处理单元部分。而每个流程 均需要在前端采用算法来完成，而且需要确保监听运算得到 不间断的实施，而树莓派不具有此类算法，因此在本设计中 采用的是百度是麦克风阵列模块与语音増强模块，再将树莓 派与云端语音识别与语音引擎对接之后，主要用途是：识别 语音、理解自然语言、分析业务逻辑、语音合成、语音模型训 练。
语音处理单元
+音频编码
输出
上位机树莓派和云端进行语音识别、语义分析、
业务逻辑分析、功能执行、应答语音合成等
围2语音交互模块结构
2.3定位导航设计要点
在定位导航设计中，主要功能有:①自主定位;②自主规 划路径;③自动地图建模;④实时自动避障;⑤环境复位(即环 境变化后进行重新定位)。为满足功能，采用的是自主定位导 航套装，不仅有激光雷达，而且还有自主定位导航的核心，使 得其能快速定位和建图以及规划路径，计算机利用串口连接 后，能实时査看地图和对参数与命令进行修改，加上放跌落装 置的设置，使得其抗压自动避障，激光雷达能在测量受阻时重 新定位。
2.4其他模块设计要点
①家电遥控。这一模块中包含了红外遥控与W E FI 两个 模块;②心率检测模块。这一模块中包含了心率血氧检测模 块;③摄像头模块：髙清夜视(l 〇80p )摄像头，2个微型舵机组 成自动云台后，对摄像视角进行自动调整;④烟雾检测模块， 主要是设置多种不同烟雾检测传感器，对室内的天然气、一氧 化碳、甲烷、液化气、硫化氢等浓度进行测量。
3常见家庭机器人的系统软件设计
在本设计中，机器人软件系统主要包含了四个模块:①树 莓派;②语言增强核心;③SLAM W ARE 核心;④云端服务器。 其中，模块①的作用就在负责与其他模块之间的连接和调用， 并辅助进程调配以
古籍扫描仪
及本地语音识别和云端数据交互等。模 块②的作用就在于通过语音识别进行前端声音处理，并对云 端服务器进行语音与语义识别，并执行逻辑处理和合成应答 语音，再返回命令与语音数据到机器人的终端，具体详见图3 所示。
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图3系统软件示意图
4物联网机器人运行路径感知优化技术方案
4.1定位技术方案
物联网技术下的定位技术方案主要是利用GPRS 网络方 案来传输数据。因此需要切实强化数据整理，并借助网络高 效便捷的优势来传输。一般而言，通常获取一个常用IP 地址
之后，组建新服务器进行数据接收，而为确保传输的数据得到 更好地存储，需要构建数据库，便于用户能随时随地访问，确
保数据安全，再把访问留下数据重新进行数据库组建，从而对 跟踪端的行为数据进行获取，得到图4所示的物联网体系。
物联网环境下的机器人在运行时，其定位技术原理主要 有以下两种：
第一，就A O A 的定位技术原理而言，主要是结合机器人 所发射出的测量信号角度来定位，对网络中的每个节点中传 送信号的方位予以确定，并对待定位节点与每个基点间的角 度值进行计算，利用三角关系表达时，计算待定位节点所在方 位，具体原理详见图5所示。从图中可以发现，待定位节点传 输信号的路径与间的连线之间有一个夹角，从而利用接 收器来获取A O A 值，当数值确定之后，对信号传输略线进行 判断，结合路线对待定位节点所在方位进行推算，从而得到两 个无线信号的夹角，在坐标确定的前提下，按照预定的方 式对待定位节点坐标进行计算。
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图4物联网体系
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环形麦克风阵列樓块功放横块
I 互联网I
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4 4-功能执行
—|烟其检'w H 自主巡吭1
倌号埔益
消除混呐
波束形成
声源定位
回声抵消
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图5 A O A定位技术原理 图6 T O A定位技术原理图第二，就T O A的定位技术原理而言，具体详见图6所示，其中的建立的需要3个，对待定位目标进行确定后，发射 U W B信号，经过一定时间后到达，再将这段时间与电磁 波传输速度相乘之后，从而对每个的间距进行计算，三个 相交的点作为圆心，间距作为半径，得到所描绘的圆 形处于同一个点相交，再利用三边理论构建方程，从而得到带 定位目标所在坐标。
4.2系统结构方案
物联网时代下智能机器人的设计，主要是从基本功能和 机器人操作两个方面强化对其的设计，且设计软件时包含了 诸多模块，在设置参数时，将物联网与机器人系统参数设置作 为核心，从而更好地进行任务分配，并计划任务，满足通信需 求，检测机器人的操作方式正确与否，检测机器人所在位置, 以及对故障和冲突进行检测等方面的功能，这样一旦机器人 发生故障，就能及时地获取在线帮助。
而在构建好系统结构之后，还要切实强化以下测试工作 的开展。
—是加强超调性测试，所谓超调性，主要是机器人关节坐 标超出的范围值，通俗的说，就是机器人是否处于可控范围内。因为，为预防超调问题，需要确保所设置的轨迹与关节边界的 距离较远。
二是加强震荡性测试，就是机器人运行的轨迹发生偏离 的概率进行测试，使得轨迹精度得到更好地提升。通过测试 发现，三个形成的三条曲线重复的再次区间内会出现一 次震荡。
首先，对测地线看作两点间最短的线段，也就是在平面中 的直线通过在曲面上推广而形成。一般而言，一个球面中的 两点，两点间的最短距离为从这两点通过的圆弧，所以要将 其应用在机器人的路径规划之中，就需要把测电线实施抽象 处理。但是在抽象处理中，应意识到黎曼曲面的抽象性，其 主要取决于曼度的大小，而与坐标系位置之间没有关联。黎 曼度量可以采用轨迹弧度长，也可以采用系统功能，从而对 不同构造的曲面进行度量后，发现其存在较大的差异。那么 为了进行测电线的计算，由于曲线弧长已经固定，所以需要 将弧长作为曲线参数，曲线切向量为零时，由于黎曼度矩阵 与逆矩阵是一个对称的矩阵，所以就需要结合测地线来确定 运动路径的堵塞程度与稳定性。在这一过程中，需要切实借 助窗函数估计法则的原理，每个观察点的密度均能采用自身 的节点来标识，从而对全部窗口的密度采取相应的公式进行 确定，并对机器人感知信息的概率综合进行计算。在计算过 程中，若窗口的无效点越少，则说明障碍越少，路径也就越顺 畅，反之也成立。
其次，由于机器人运行环境有着较大的变化性，所以还要做好现有节点的平滑处理，在不同大环境下，应改变机器人观
测的窗口，从而通过算法改进来优化其性能。但是在分析拥
堵程度的基础上，还要做好对其的稳定性分析，且确保时间窗
口处于开放的状态，这样才能更好地统计有效节点的频率。在
这一过程中，还要将阻塞点转化为自由点，而自由点则转化为
阻塞点，从而将二者的总和作为有效性的变化点，再结合有效
性的变化点和不变点，对观测的窗口在一定实践内的有效性
变化趋势进行计算。
4.4经验总结
第一，切实强化仿真设计的方式来解决问题。方案的设
计旨在更好地解决路径感知和规划的问题，所以应结合实际
针对性的确定其规划感知方案。随着物联网时代的到来，传
统的机器人在运行略径感知和规划中的不足正在不断凸显出 来，不仅运行路径的精度较差，而且控制的难度较大，导致难
以在最短时间中将最佳路径规划出来，尤其是在复杂运行环
境下，难以精准地避开障碍物，使得其工作效率较为低下。所
以本文基于物联网的视角提出强化机器人运行路径的感知与
规划，以物联网环境为载体，对机器人A O A技术与T O A技术
进行对比，并对其机器人系统结构进行了构建，确保机器人的
路径规划时更加平稳地运行，预防出现超调与振荡的问题，并
利用黎曼曲面系数而获取运动正解方程，并对初始条件确定
之后，再代入黎曼度量表达式之中，有效的对路径进行感知规 划，再通过仿真，使得本研究提出的优化技术方案的路径在精
准度上得到提升，在避障功能上不断优化，减少重启次数的同
时优化路线，促进工作效率的提升。
第二，为确保运行路径感知规划的成效，还要在实际工作 中，结合实际情况，采取针对性的方案强化对其的处理。比如
为解决上述问题，张树刚和赵佳(2018)在《包装工程》中发表
的论文《基于S型曲线的包装堆垛机器人轨迹规划》提出，利
用直角坐标西安来分析机器人运行的过程，并根据分析结果
绘制了 S型曲线，再利用触摸屏来设定控制系数参数，并对系
统运行工况进行监控，采用控制模块优化速度与方位，达到规
划机器人运动路径的问题。而这一方案的优势就在于机器人
运行时速度平稳无突变的问题。
由此可见，基于不同的问题，所研究的侧重点也是有所不
同的，这就需要我们结合所研宄的问题，采取针对性的措施，
才能更好地适应实际运行的需要，发挥物联网的优势，促进智
能机器人的技能水平不断发展，在实践应用中得到不断改进。
5结语
综上所述，本研宄以智能家庭机器人作为切入点，以物联
网技术为载体，分析了智能机器人的技术进行了分析，并针对
其在运行中经常路径和避障等问题，提出了具体的应对对策,
以推动智能机器人的发展。
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