【正文】 ji ,ji?氣折射情況的情況下，由上式可得： （37）jijijijijiji tcctc ??????????)()(為了統(tǒng)一計算的時間標準，式（37）可近似的寫為： （38）)()(ijijij ttRt?由于各衛(wèi)星之間的同步差可保持在20ns以內，忽略這一影響，并掠去觀測歷元 的下標，則（38）式可以改寫成it （39）)(d)()()(,ji ???? ??????ttttctRjTijIgiiji其中 為接收機中相應歷元t的鐘差； 為對于觀測歷元t ，)(i? ,jIgi電離層折射對測碼偽距的影響； 對流層折射對測碼偽距的影響；)(,tjTi衛(wèi)星軌差； 觀測噪聲。)(dt?)(??在實際應用中，對上式中的7個未知量正交處理[20]，只剩下4個未知量（3個接收機坐標和1 個接收機的時鐘誤差） ，這樣就可得到4個方程，即： （310）iiii iiii iiiiiiii tc)z()y()x( t)()()( czyx???????242424i 333i 2222i 111i?求解上述四個方程，便可得到每一時刻接收機的鐘誤差和位置。基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)28 產(chǎn)品選型GARMIN 的GPS OEM產(chǎn)品為12 通道GPS 接收機，功耗非常小，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次，能夠快速定位。其優(yōu)良的性能既能夠滿足陸地導航的靈敏度需求，也能夠滿足飛行器的動態(tài)需求。在設計上，在設計上，這些GPS 接收機使用了最新的科技和高水平的電路集成技術，在達到高性能的同時減小了體積和功耗。其中全部的重要元器件，包括RF/IF 接收機硬件和數(shù)字基帶部分，都是由 GARMIN 來設計和生產(chǎn)的，以保證其質量和性能。GARMIN 的GPS 接收機OEM 板從硬件和軟件上都十分易于使用，非常適合做系統(tǒng)集成。最簡單的系統(tǒng)，除GPS 外還要包括外部電源和GPS 天線。與GPS 系統(tǒng)的通信可以通過RS232 或CMOS 電平的串行口來實現(xiàn)。GPS 接收機OEM 板中可以將衛(wèi)星軌道參數(shù)、上次定位位置、時間和日期等數(shù)據(jù)保存在靜態(tài)存儲器，接收機內部有備用電池來為存儲器供電。GPS15L 的電源系統(tǒng)為 －，其接收機靈敏度最小可達165dBW。GPS15L的定位精度小于 15 米（95%） ， 米/秒RMS（穩(wěn)定狀態(tài)） ，差分精度小于5 米（95%） ， PPS（秒脈沖） 精度在177。1 微秒范圍內。在GPS 接收機定位后，在相應的管腳上就會產(chǎn)生高精度的PPS 信號。接收機所傳輸?shù)男畔⒁悦朊}沖作為時間基準。秒脈沖的默認寬度是100ms ，也可以通過PGRMC 命令將其設置為從 20ms 到980ms 之間的長度。 系統(tǒng)硬件接口GPS 系統(tǒng)的通信可以通過RS232 串行口來實現(xiàn)，具體連接圖如圖3－15 所示[21]。29圖3－15 GPS15L硬件接口本系統(tǒng)GPS與DSP的串口連接構成GPS輔助導航硬件子系統(tǒng)。GPS實時地將獲取的經(jīng)緯度和PPS 的數(shù)值通過無線通訊子系統(tǒng)傳輸?shù)街骺刂婆_。 NMEA0183通信標準GARMIN 的GPS OEM 板所輸出的數(shù)據(jù)是以美國國家海洋電子協(xié)會（National MarineElectronics Association）的NMEA 0183 ASCII 碼接口協(xié)議為基礎的。該標準的全部定義都在《NMEA 0183, Version 》中有說明。其語句格式如下表所示： 符號 ASCII 定義 說明$ 起始位 語句起始位ABCDE 地址域 前兩位為識別位，后三句為語句名， 域分隔符 域分隔符Ddd……ddd 數(shù)據(jù)塊 發(fā)送數(shù)據(jù)內容* 校檢和符號 后面的兩位數(shù)是校檢和Hh 校檢和 校檢和CR/LF 終止符 回撤，換行表 3－3：NMEA 0183 語句格式對于GPS15L/H 和GPS25LVS，串口2 還可以接收GPS 的差分改正信息，該信息在《RTCM Remended Standards ForDifferential Navstar GPS Service, Version , RTCM Special Committee No. 104》 中有完整的定義?；?DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)30 GPGGA語句解析GPSOEM板輸出帶有各種功能的數(shù)據(jù)語句有多種, 如$GPALM、 $GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等，其中以$GPGGA定位數(shù)據(jù)語句最為常用。其結構如下：$GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*hhCRLF1 UTC 時間，hhmmss（時分秒）格式2 緯度ddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸）3 緯度半球N（北半球）或S（南半球）4 經(jīng)度dddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也將被傳輸）5 經(jīng)度半球E（東經(jīng)）或W（西經(jīng)）6 GPS 狀態(tài)：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算7 正在使用解算位置的衛(wèi)星數(shù)量（00~12）（前面的0 也將被傳輸）8 HDOP水平精度因子（~）9 海拔高度（~）10 地球橢球面相對大地水準面的高度11 差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空）12 差分站ID 號0000~1023（(數(shù)據(jù)頭被傳送,若無差分GPS則為空)表3－4：Global Positioning System Fix Data（GGA ）GPS 定位信息 語音識別子系統(tǒng)為使“靈狐”系統(tǒng)更為完善，我們?yōu)樗砑恿颂囟ㄈ说恼Z音識別功能。其基本識別功能為：語音識別“?！?、 “左轉” 、 “右轉” 、 “執(zhí)行任務”、 “前進” 、 “后退 ”共6句話。完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為語音特征提取、聲學模型建立、模板匹配(識別算法) 、語言模型與語言處理四個部分，其中語音特征參數(shù)提取是模式識別的關鍵問題[22]。特征參數(shù)的好壞對于語音識別精度有很大影響。系統(tǒng)選用美國Sensory公司開發(fā)的為消費類電子產(chǎn)品應用的低價位語音識別專用嵌入式模塊RSC364 。 RSC364使用預先學習好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行非特定人語音識別，不需要經(jīng)過訓練就可以識別Yes、No、Ok 等簡單語句，識別率為95%左右。此外，RSC364還可以識別特定人、孤立詞命令語句，約60 條左右，識別率為97%左31右。此外，它還具有改進的ADPCM （自適應差分脈沖調制）語音編解碼功能，用作語音回放[23]。 系統(tǒng)硬件接口圖本系統(tǒng)采用DSP 的IO口和嵌入式模塊RSC364構成語音識別子系統(tǒng)。其硬件接口電路圖如圖4－17所示。IOPA0作為RSC364的選擇端，IOPA1 、IOPB0 、 IOPB1三個IO 口（初始狀態(tài)111 ）用來顯示識別到的語音。RSC364 在應用時，可以根據(jù)不同應用選擇不同的存儲結構。圖3－16 RSC364與DSP硬件接口電路圖DSP采用定時器 2每個 8ms中斷一次，查詢 IO口狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)識別到實現(xiàn)特定語音后，進行相應的處理。語音識別子系統(tǒng)與DSP具體的通信協(xié)議見見表3－5 。識別的語句IO 口狀態(tài)表達含義000 初始狀態(tài)（停止）停 001 停止左轉 010 機器人左轉 90 度左右右轉 011 機器人右轉 90 度左右執(zhí)行任務 100 機器人高速旋轉前進 101 以 150HZ 頻率向前運動，大約 5 秒鐘后退 110 以 150HZ 頻率向后運動，大約 5 秒鐘表 3－5：語音識別子系統(tǒng)與 DSP 通信協(xié)議 非特定人語音識別程序的編寫與RSC364相配套的是非可視化的軟件開發(fā)環(huán)境，整個程序的編基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)32寫為匯編語言與DOS語句的嵌套調用。源程序代碼在記事本中編寫,保存為*.A 的格式。此外,還需在記事本中編寫在 DOS環(huán)境下進行編譯和連接時用到的批處理文件,保存為*.BAT的格式。主程序流程圖如下：圖 3－17 語音處理流程圖具體制作過程如下：1) 應用 CoolEdit 錄音軟件錄音并分割 wav 文件，得到 5 個 wav 文件；2) 編輯 文件，給此 5 個 wav 文件排序；3) 運行 ,設置路徑（具體路徑視提示音制作軟件的存放位置而定） ；4) 運行 ,生成 文件；5) 運行 ,生成 raw 及 vsf 文件；6) 運行 ,生成 文件；7) 運行 ,將 改名為 ；8) 運行 ,對 進行編譯，得到 文件；9) 根據(jù) 中各 wav 文件的順序，編輯 文件，進行拼句；10)運行 ，對 進行編譯，得到 文件；11)將 及 進行鏈接（在*.bat 批處理文件中加入 中，并重新進行鏈接） ，即可調用；3312)將源文件和批處理文件在 DOS 環(huán)境下生成*.bin 二進制文件，由燒錄機燒入程序存儲器 SST39SF020 中即可。 音樂控制子系統(tǒng) 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)選用歌曲《友誼地久天長》 ，重在表現(xiàn)兩個人成為朋友，而后四海為家，各自發(fā)展事業(yè)，經(jīng)過曲折人生之路，重新走到一起牽起手，證實友誼地久天長。針對歌曲本身的含義，我們設計了一套舞蹈方案。系統(tǒng)采用單片機產(chǎn)生音樂。圖 3－18 為單片機產(chǎn)生音樂的原理圖，系統(tǒng)采用嵌入式音樂產(chǎn)生電路是為了提高 DSP 的控制性能。圖 3－18 單片機產(chǎn)生音樂原理圖系統(tǒng)采用單片機和 DSP 的 IO 口構成音樂子系統(tǒng)，再配合 DSP 驅動控制子系統(tǒng)構成舞蹈機器人系統(tǒng)。DSP 通過 IO 口控制音樂的開始和結束，同時調用 DSP 驅動控制子系統(tǒng)控制機器人跳出優(yōu)美的舞蹈。 音樂子系統(tǒng)的實現(xiàn)一首音樂是許多不同的音階組成的，每個音階對應著不同的頻率。系統(tǒng)利用單片機的定時/計數(shù)器 T0 產(chǎn)生方波頻率信號。要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率） ，然后將此周期除以 2，獲取半周期的時間。利用定時器計時這個半周期時間，基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)34每當計時到后就將輸出脈沖的 I/O 反相，然后重復計時此半周期時間再對 I/O 反相，就可以 I/O 腳上得到此脈沖的脈沖。利用 8051 的內部定時器使其工作在計數(shù)器模式 MODEL 下，改變計數(shù)值 TH0 及TL0 以產(chǎn)生不同頻率的方法[24]。計數(shù)脈沖值與頻率的關系公式如下： （311）riFN/2?其中 為計數(shù)值； 為 1MHZ（內部計時周期為 1us） ； 為要產(chǎn)NiFrF生的頻率。先把樂譜的音符找出，然后由表建立 T 值的順序；然后把 T 值建立在 TABLE1,構成發(fā)音符的計數(shù)值放在 “TABLE”。 每個音符使用 1個字節(jié)，簡譜碼（音符）為高位，節(jié)拍（節(jié)拍數(shù)）為低 4 位，音符節(jié)拍碼放在程序的“TABLE”處即可產(chǎn)生預先設定的音樂。附錄 1 有詳細的配合音樂的 DSP 舞蹈控制程序。 逐球圖像處理子系統(tǒng) 系統(tǒng)設計方案逐球圖像處理子系統(tǒng)由 USB 攝像頭、硬件設備和圖像處理軟件組成。該系統(tǒng)的主要功能是不斷快速地采集、處理場地的圖像，通過不斷辨識小球和機器人頂部的圖標，及時得到場上機器人和球的有關數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳給主機上的決策子系統(tǒng)進行分析決策使用。如圖3－19 所示，逐球機器人系統(tǒng)是一種基于視覺閉環(huán)自治的無線控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)是一個完整的自治系統(tǒng)，它具有一個實時的視覺閉環(huán)。決 策子系統(tǒng)圖像 處理子系統(tǒng)運 動控制子系統(tǒng)機器人 D S P 驅動控制子 系統(tǒng)無 線通信子系 統(tǒng)發(fā)送端C無線 通信子系統(tǒng)數(shù)字圖像P C攝像頭圖3－19 基于視覺閉環(huán)自治的逐球機器人結構框圖機器人系統(tǒng)中普遍采用的是穩(wěn)定性、可攜性和精確性比較高的35CCD（Charge Coupled Device）模擬攝像頭[25]。攝像頭獲取模擬量的視頻圖像，圖像采集卡完成模擬量/數(shù)據(jù)量轉換，使視頻信號數(shù)字化。各種圖像采集卡進行模/數(shù)轉換的精度、傳輸速率、支持的功能各不相同，這對系統(tǒng)的采樣周期、采樣精度都有很大的影響，而且由于采集卡的存在使得整套系統(tǒng)結構非常復雜。USB 攝像頭可以實時地獲取數(shù)字圖像，雖然采集速度相對 CCD 攝像頭慢一些，但選用USB 攝像頭大大簡化了系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)健性。串聯(lián) PD(比例+微分) 控制利用系統(tǒng)誤差,誤差的微分信號構成控制規(guī)律, 對被控對象進行調節(jié),具有實現(xiàn)方便,成本低 ,效果好,適用范圍廣等優(yōu)點,因而在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用 [37] [38]。機器人底層控制算法采用了經(jīng)典的 PD 控制算法。 圖像處理子系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 要進行物體識別，必須先做圖像分割，即根據(jù)圖像的某種特征按照一定的規(guī)則把圖像分割成互斥的區(qū)域，以獲得圖像中蘊涵的有用信息。逐球圖像處理子系統(tǒng)需實現(xiàn)每秒幾十幅圖像的辨識，并給出各個實體精確的位置坐標與朝向角。這種快速性、精確性要求使該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)成為相當艱巨的任務。圖像分割的精確度及實時性將直接影響到機器人定位等后續(xù)工作。圖 3－20 為圖像處理子系統(tǒng)結構圖。實時視覺信息圖像分割物體識別三維變換非法性檢測閾值修正顏色表特征提取器采樣數(shù)據(jù)性能評測攝像 頭機 器人高 層決策 系統(tǒng)顏色表信息不好好離 線顏色 分 析器（微 機操作）實時視覺信息處理（機