[发明专利]面向公共服务场景的智能机器人系统

摘要

一种面向公共服务场景的智能机器人系统，主要包括Web交互模块、语音交互模块、人脸识别模块、导航模块、主控模块、通讯模块。系统结合ROS消息通讯机制，基于MVC系统设计模式，实现了一套面向公共服务场景的智能机器人系统。首先通过Web交互模块实现与用户的友好交互，用户基于此模块控制机器人完成指定任务，语音交互模块用于提高用户与服务机器人的交互性能，人脸识别模块完成用户实名认证和用户分级，主控模块实现与Web交互模块、人脸识别模块、语音交互模块之间的任务调度，控制导航模块完成用户预定任务，导航模块在完成用户导览任务的同时，通过通讯模块把运动信息传输给Web交互模块实现友好的人机交互，通讯模块基于消息订阅与发布机制，完成各功能模块间的消息过滤和稳定传输。本发明一定程度上弥补了目前公共服务机器人在功能上的欠缺，为服务机器人的发展提供了较好的研究方向。

主权项

1.一种面向公共服务场景的智能机器人系统，其特征在于：上位机软件安装在用户的Windows电脑上，激光雷达传感器与移动底座通过USB有线连接，机器人底座与上位机通过以太网有线连接，摄像头通过串口与上位机有线连接；所述的PC端软件依次包括Web交互模块、语音交互模块、人脸识别模块、主控模块、通讯模块，机器人基座包括导航模块；Web交互模块等待用户发出操作指令，通过通讯模块把用户指令传输给主控模块进行命令分析，并进行任务调度；基于分析结果触发语音交互模块和导航模块完成任务；人脸识别模块运行在系统后台，完成用户身份认证和任务分级处理；各模块的具体构成是：Web交互模块，是一个人性化的人机交互和机器人控制界面；在开启服务机器人系统时，通过触屏显示器向用户展示机器人系统功能，Web交互模块包含触发其他功能模块的可视化控件方便用户直接操作机器人；包含语音交互模块的启动按钮和语音交互的文本信息展示界面，用于接收和处理语音交互模块传输过来的语音信息，并把处理完的信息实时显示在触屏界面上；内嵌的3D动态人脸根据用户主控模块获取的距离参数来控制虚拟人物表情变化；人脸识别模块通过Web交互模块显示用户认证过程并反馈用户身份认证结果；路径规划与导航模块通过交互界面显示机器人自定位坐标和环境地图信息；语音交互模块，用于实现智能化的人机交互功能；使用麦克风获取用户语音信号，通过通讯模块把语音信号传输给语音模块的云服务端口，连接科大讯飞语音识别API接口完成STT功能，把语音信息转化为文本信息；使用通讯模块把文本信息传输给图灵云端服务API接口，基于图灵云端数据库完成用户文本智能问答，完成TTS功能；向本地传输问答的文本信息，并转换为语音信号输出到播音装置，同时把回答的文本信息传输给Web交互模块；人脸识别模块，用于实现用户的实名认证和用户任务分级功能；使用摄像头获取用户的人脸图像信息，通过OpenVC处理人脸图像帧，使用通用的图像预处理算法提取人脸特征值；基于PCA人脸识别算法计算人脸特征值，完成人脸匹配任务；最后把计算结果传输给Web交互模块先用户显示认证信息，同时通过通讯模块把人脸匹配信息传输给主控模块，触发特定用户的服务任务和用户权限激活；导航模块，用于实现服务机器人的自主导览和路径寻优的功能；该模块接受来自激光雷达的距离信息和底座的里程计信息，并把这些信息传输给主控模块进行自定位计算和地图构建，使用通讯模块把自定位与构图信息传输给Web交互模块进行实时显示，同时把信息传输给主控模块进行全局和局部路径规划计算，把结果回传给导航模块；导航模块把主控模块的路径规划参数转换为运动指令进行导航任务，控制机器人底座运动；设计机器人底座控制器，保证机器人平稳运行；主控模块，接受来自Web交互模块、人脸识别模块、语音交互模块、导航模块发起的相关计算任务请求；接受来自导航模块的路径规划请求时，主控模块向导航模块的激光雷达和底盘获取距离和里程计信息；基于自适应蒙特卡洛算法通过传感器数据确定机器人位置，再基于线性时序逻辑算法进行路径规划，最后把路径规划结果发送至导航模块：首先将用户导览环境构建为有限状态的加权切换系统；之后利用线性时序任务公式描述用户任务需求，通过LTL2BA工具包转换为图表形式；然后将切换系统与Büchi自动机作笛卡尔乘积，构建任务可行网络拓扑；结合A*算法在任务可行网络拓扑上搜索出最优路径；接着将任务可行网络拓扑上寻优所得路径映射回切换系统，得到环境中对应的最优路径；最后将路径规划结果发送给导航模块；通讯模块，是一个整合机器人硬件和上层应用模块间消息传输和指令控制的控制中枢；基于ROS机器人操作系统的通讯机制，该模块运行在机器人操作系统的上一层，作为后操作系统；把主控模块的控制指令传输给导航模块，人脸识别模块，语音交互模块；协调机器人硬件系统，保证摄像头设备与人脸识别模块的交互，麦克风和音响与语音交互模块的通信，移动底盘与导航模块连接。