[发明专利]面向Windows环境的服务机器人运行控制系统

权利要求书

1.一种面向Windows环境的服务机器人运动控制系统，其特征在于：前端交互界面安装在用户的Windows电脑上，激光雷达传感器和碰撞传感器安装在机器人底座，Kinect摄像头通过USB与机器人底座有线连接，机器人底座与PC电脑通过以太网有线通信；

所述的服务机器人系统依次包括前端交互模块、后端功能模块、中台服务模块、外设控制模块、底盘运动模块；中台服务模块通过后端功能模块向前端交互模块传输操作信息，后端功能模块基于中台服务模块的信息调度来驱动外设控制模块和底盘运动模块实现用户操作任务；前端交互模块通过中台服务模块，把后端功能模块实现的功能信息显示在交互界面上，实现良好的人机交互；

前端交互模块，是一个用户操作机器人的交互界面；前端交互模块基于HTML5，JavaScript，Jquery以及React技术开发；开启服务机器人系统后，将在显示器上动态展示后端功能模块对应的功能图标，用于触发后端功能模块运行，其显示语音交互、人脸识别、自主导航、多媒体播放的功能图标；前端交互模块通过向后端功能模块发送Http请求，通过Servlet处理Http请求，后端功能模块接受Http请求后进行任务调度，触发相应的后端功能模块应用运行；

后端功能模块，是服务机器人系统功能实现的执行模块，用于满足用户的各种功能需求；后端功能模块主要由四块功能组件构成，感知性功能组件提供相关识别功能，包括语音文本转换，人脸检测，人脸识别，障碍物检测；语言性功能组件提供相关的语言功能，包括人机对话；空间性功能组件提供空间感知功能，包括电子围栏，路径导航，地图导航；社会性功能组件提供人机亲和互动的功能，包括虚拟人物表达，人脸追踪；后端功能模块通过中台服务模块获取前端交互模块的操作命令，来触发相应的功能组件，再通过中台服务模块把机器指令传输给外设控制模块和底盘运动模块实现相应功能；

中台服务模块，是整个服务机器人运行控制系统的核心模块，实现机器人操作系统的任务调度和信息传输的功能；向下通过机器指令控制外设控制模块和底盘运动模块工作，向上通过数字信号与后端功能模块和前端交互模块通信，模块由以下六部分组成：组件管理器，完成各功能组件相关动态链接库的加载和初始化并管理组件的功能布局；通信组件，用于中台服务模块内部组件之间的通信，组件提供两种通信模式，当组件执行的运算结果要单方传送到别的组件时使用Message通信方式。当要使用其他组件提供的API功能时使用Service通信方式；ROS消息组件，在中台服务模块内部的组件中使用Event Model通信，而在组件和模块或应用之间使用ROS Messaging通信；Logging，主要使用Log4net，用于在框架核心模块中对组件，消息/服务调用，建立实时日志，建立的日志用于Log4net的UDPAppender，并对特定地址发送日志以及对消息进行过滤处理；中央运算组件，接受后台功能模块的运算请求，完成人脸识别、语音交互、路径规划和导航等应用的后台运算，最后通过ROS消息组件传输给后台功能模块；

外设控制模块，用于完成后端功能模块的具体实现，属于服务机器人系统的硬件层；外设控制模块在Intel-i3处理器的外围接口连接了液晶显示组件，RGB摄像头组件，深度摄像头组件以及激光雷达组件；模块接受来自中台服务模块传输的机器指令，控制一个或多个硬件组件实现前端交互模块发出的任务需求，并通过中台服务模块把反馈信息传输给后端功能模块进行处理，最后在前端交互模块向用户展示；

底盘运动模块，是服务机器人实现移动功能的核心模块，也是完成其他功能需求的基础模块；底盘运动模块分为硬件和软件两部分：硬件是服务机器人底座，核心为嵌入式开发板，搭载有STM32微处理器，激光雷达接口、红外及碰撞传感器接口、以太网接口、电机控制接口、电源接口、USB接口和通用扩展接口；软件部分主要由运动控制和动态避障组件两部分组成，当接受到中台控制模块的底盘控制信号时，底盘运动模块自动开启运动控制和动态避障两部分组件。

2.根据权利要求1所述的面向Windows环境的服务机器人运行控制系统，其特征在于：所述的前端显示模块与其他模块之间采用了B/S架构，浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互；其数据传输方式采用了Http通信协议，通过Servlet处理银行客户在前端业务系统模块的操作请求，前端业务系统模块通过WebBrowser控件在窗体中导航功能模块网页，将后台功能模块消息在窗体应用中显示给用户，实现系统的功能上的前后端分离。

3.根据权利要求1所述的面向Windows环境的服务机器人运行控制系统，其特征在于：底盘运动模块在移动过程中避开障碍物的流程是，先使用激光雷达实时获取障碍物信息：定义移动机器人的安全距离L_s，激光雷达的数据D_L，D_L＝{L_n|n∈[0,360)}，其中L_n表示在角度为n的方向上的障碍物距离；首先，在安全距离内检测是否有障碍物；若安全距离内出现障碍物，则利用L_s筛选所有安全距离内的点，记为D_S，D_S＝{L_n|L_n＜L_s,L_n∈D_L}；再计算障碍物的方位：利用第一步获取的障碍物信息，计算障碍物的方向与距离，将障碍物抽象为一个质点；定义移动机器人的半径R_s；第一，计算各个激光雷达数据点的权重W，其中k_w为常系数；第二，计算D_S中L_n的加权平均值；定义L_e为障碍物距离的加权平均值：

定义θ_e为障碍物距离的加权平均值：

最后使用θ_e，L_e描述障碍物的方位；接着，设计避障控制器：定义移动机器人当前的朝向θ_R，移动机器人与障碍物之间的角度运动学模型基于二轮差动的移动机器人，使用线加速度ν，角加速度ω，控制移动机器人运动，则避障控制器的设计如下：

其中，k_v，k_ω，k_vr，k_ωr均为常系数；设计运动控制器：若激光雷达没有检测出障碍物，则控制移动机器人向目标点运动；运动控制器：

ν＝V_maxS(d)cosφ

其中d为机器人与目标点之间的距离，φ为移动机器人朝向与其和目标点连线之间的夹角，V_max为移动机器人运行的最大速度，K为常系数，c为到达目标点的减速距离；避障控制器与运动控制器的切换：若检测到障碍物，并且则使用避障控制器避开障碍物；否则，使用运动控制器，控制移动机器人向目标点运动；同时，限制移动机器人的最大线加速度a_v，最大角加速度a_ω。