智能移動機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)方法研究

龍飛虎，董振鵬，王子琦

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

移動機(jī)器人的研究最早出現(xiàn)在國外，而近些年來，我國科學(xué)家投入了大量的精力，用于研究智能移動機(jī)器人，智能移動機(jī)器人的出現(xiàn)顯示了人類發(fā)展的快速，機(jī)器人具有智能控制與導(dǎo)航的能力，這主要是依賴于它的嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對移動機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且以嵌入式控制體系為基礎(chǔ)，完成各部件的裝配工作，本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對智能機(jī)器人進(jìn)行了整體的測試，結(jié)果表明機(jī)器人可以穩(wěn)定的運(yùn)行，反映了嵌入式控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 智能移動機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

移動機(jī)器人通常是設(shè)計(jì)為三輪差動轉(zhuǎn)向式，主要的結(jié)構(gòu)是從動輪是前輪，能夠支撐起整個的機(jī)器人，但是并不產(chǎn)生驅(qū)動力矩，機(jī)器人可以任意的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪是后面兩個輪，這兩個輪是固定的不能夠轉(zhuǎn)向，后面兩個輪子是獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，這三個輪均勻分布在三角形的三個角上，這樣的分布方式能夠讓車輪自由的轉(zhuǎn)動，也能夠更好保持車體的穩(wěn)定。移動機(jī)器人是依靠攝像頭和傳感器來進(jìn)行感知的，它的前端有視覺攝像頭，左右也各有一對傳感器，而在它的車體尾部還裝有無線通信設(shè)備[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是采用嵌入式控制器作為核心，其中包括電機(jī)驅(qū)動、感知顯示，無線遙控、電源轉(zhuǎn)換等，系統(tǒng)采用的控制方式為集中式，控制器控制著整個的系統(tǒng)決策與視覺方面的工作，這是整個系統(tǒng)的核心部分，就相當(dāng)于人的大腦一樣，能夠幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大量的計(jì)算工作。這些模塊各自的功能不同：1.PC/104嵌入式控制器是VSX-6154計(jì)算機(jī)，它兼容多個操作系統(tǒng)，包括Windows的多個系統(tǒng)以及DOS、Linux等，有的是三個接口，有的是兩個USB接口，它的主要特點(diǎn)就是重量輕、體積小，應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng)開發(fā)十分適合。擴(kuò)展電路是為了彌補(bǔ)控制器并口不足的問題而出現(xiàn)的，該電路可以實(shí)現(xiàn)語音識別、超聲檢測等方面的內(nèi)容，還能夠與控制器相連接。而感知模塊就是對語音、超聲波、激發(fā)等進(jìn)行檢測，通常采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像的采集，然后再將采集到的數(shù)據(jù)送到控制器進(jìn)行處理，超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對移動機(jī)器人的避障與處理功能，有發(fā)送與接收電路兩個部分，語音識別功能就是對特定人的聲音進(jìn)行識別，并且進(jìn)行語音的合成，它采用了語音識別芯片，能夠形成低成本語音識別電路，將語音處理之后可以識別出12個不同的字詞，還可以將不聯(lián)系的詞聯(lián)系起來，具有很強(qiáng)的編程性，使用方法也比較簡單，無線網(wǎng)通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人與PC機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，用戶可以從計(jì)算機(jī)上隨時查看機(jī)器人的運(yùn)行情況，以及運(yùn)動的信息，對機(jī)器人的狀態(tài)了如指掌，為了降低成本也可以采用串行的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與移動機(jī)器人的通信，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)是給予Windows平臺，將一些串口設(shè)備映射成為虛擬的串口，原本的軟件不需要做出任何的修改，也能夠和本地串口一樣，用于設(shè)備的配置，診斷等。無線遙控模塊是為了更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化而設(shè)計(jì)的，它包括了兩個部分的內(nèi)容，分別是車體無線接收模塊和發(fā)射模塊，無線接收模塊利用貼片技術(shù)，接收芯片采用高精度的接收頻點(diǎn)，電路性能十分穩(wěn)定，工作起來也不會受到干擾，發(fā)射模塊與接收模塊的工作頻率是相對應(yīng)的，能夠利用調(diào)頻的方式進(jìn)行調(diào)制，通常發(fā)射的功率是20mW，PT2262編碼芯片的兼容性更強(qiáng)一些，為了讓移動機(jī)器人的點(diǎn)動功能實(shí)現(xiàn)，可以暫存信號，這樣在應(yīng)用的時候更方便[2]。

1.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 控制主程序系統(tǒng)

機(jī)器人學(xué)的發(fā)展給人類帶來了巨大的幫助，機(jī)器人能夠代替人類完成一些重復(fù)性的、重體力的勞動，讓人們從繁重的工作中解放出來，讓人們的智力也能夠獲得解放，機(jī)器人承載著人類理解和學(xué)習(xí)的重任，人們已經(jīng)不僅僅將機(jī)器人看作是一種工具，而是希望他們能夠朝著更加智能化的方向前進(jìn)，讓他們也能夠像人類一樣擁有自我提升、自主學(xué)習(xí)的能力，成為人們在宇宙中的伙伴，對于此類問題很多科學(xué)家都投入了大量的精力，所以在我們身邊的很多行業(yè)也都利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，對于機(jī)器人的控制方法也越來越多[3]。機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括了四個層次，最頂層的就是管理協(xié)調(diào)層，這一層的智能水平比較高，操作人員可以通過無線遙控操作與語音識別對整個機(jī)器人進(jìn)行控制，信息處理層是移動機(jī)器人的主控計(jì)算機(jī)來負(fù)責(zé)，根據(jù)具體的任務(wù)來對感知模塊進(jìn)行信息反饋，從而形成具體的作業(yè)指令，運(yùn)動控制層主要對機(jī)器人的電機(jī)控制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，由中央處理器完成對控制命令的發(fā)送，然后電機(jī)驅(qū)動器接收到命令再完成控制運(yùn)動，這樣就完成了操作人員的工作，如圖1所示。

圖1 智能移動機(jī)器人控制原理

1.3.2 感知模塊設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)的最底層是感知反饋層，可以與環(huán)境進(jìn)行直接的交互，從而能夠獲取環(huán)境信息，與自身的狀態(tài)信息，從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和PC/104嵌入式模塊來看，可以分為兩個系統(tǒng)，分別是上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)是利用Windows作為操作系統(tǒng)，然后將VC++作為開發(fā)環(huán)境的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)對命令的傳送，讓移動機(jī)器人能夠按照規(guī)劃好的路線來運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行，作為客戶也能夠及時的看到機(jī)器人的運(yùn)行情況，下位機(jī)采用面向?qū)ο蟮哪K化理念來開發(fā)軟件系統(tǒng)，首先是對系統(tǒng)的初始化，通過無線串口接收命令和數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行語音的識別，輸入輸出狀態(tài)等處理[4]。

1.3.3 超聲波測距設(shè)計(jì)

利用接收超聲波發(fā)送的時間不同，能夠計(jì)算出機(jī)器人與障礙物之間的距離，這種任務(wù)是對時間要求比較高的，要保證實(shí)時性的特點(diǎn)，如果對電機(jī)模塊發(fā)脈沖和超聲波接收發(fā)控制，那么可以利用中斷方式完成，這是屬于后臺運(yùn)行的程序，而一些輸入輸出的任務(wù)就是對前臺程序的控制，前臺程序運(yùn)行命令完成之后再獲得下一數(shù)據(jù)與任務(wù)，從而完成工作?？梢哉f，嵌入式的控制系統(tǒng)對智能移動機(jī)器人有著一定的作用，而智能移動機(jī)器人本身就具有體積小、實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且提供了各個層次的開發(fā)接口，用戶可以在不同層次上對機(jī)器人進(jìn)行擴(kuò)展，人機(jī)交互界面也就更加方便直觀化，這樣的方式更能夠滿足移動機(jī)器人對控制系統(tǒng)的具體要求，從而達(dá)到最好的效果[5]。

1.3.4 工作總結(jié)及目標(biāo)

通過研究智能移動機(jī)器人控制系統(tǒng)自身的優(yōu)缺點(diǎn)，找出問題及時的解決，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，將這些出現(xiàn)的問題進(jìn)行科學(xué)分析，能夠加深在這方面的研究，對以后的工作也有重要的參考價值。在智能移動機(jī)器人開發(fā)過程中，主要的部分就是機(jī)器人設(shè)計(jì)主體，安裝裝配車體，開發(fā)控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)中一些人機(jī)交互的模塊和感知模塊進(jìn)行共同的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過利用超聲波的方式對軟件與硬件進(jìn)行調(diào)試，完成硬件視覺上的構(gòu)建，再加上無線遙控與通信的設(shè)計(jì)功能，為以后的研究奠定了基礎(chǔ)，可以看出，在選擇硬件的時候我們盡量選取高性能的器件，包括電機(jī)、驅(qū)動器等，在軟件設(shè)計(jì)方面也要重點(diǎn)的突出優(yōu)勢，讓軟件設(shè)計(jì)更加的模塊化，呈現(xiàn)出獨(dú)立性的特點(diǎn)，電機(jī)驅(qū)動器主要采用的是美國專用的電腦控制芯片，它是根據(jù)用戶的要求不同將控制功能設(shè)計(jì)出來，選用最好的零件組成最小的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)精度高、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址就能夠與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)結(jié)，傳輸?shù)乃俣纫彩潜容^快的，這樣的方式能夠滿足大數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)時性也得到了明顯的提高。人機(jī)交互模塊有著一定的優(yōu)越性，但是也有很多的不足，比如它只能夠傳輸指令式的數(shù)據(jù)，不能夠進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸，這樣就給人們的工作帶來不便。在未來的工作中，還需要更多的完善工作，主要包括：（1）進(jìn)一步完善機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的結(jié)合，在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮機(jī)器人功能的擴(kuò)展性，由于嵌入式中央處理器的處理速度比較慢，所以應(yīng)該再選擇更好的嵌入式主板。（2）對于圖像處理方面也要加強(qiáng)，利用好的算法來實(shí)現(xiàn)圖像處理功能，超聲波軟硬件也要進(jìn)行優(yōu)化，可以說未來在朝著智能前進(jìn)，如何利用好這一優(yōu)勢需要每一個研究者努力[6]。

2 結(jié)語

綜上所述，對智能移動機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，由此可以看出，在未來的工作中人們會更偏向于智能化，因?yàn)檫@樣能夠帶給人們便利。但是由于人們對該方面的內(nèi)容了解的還是不夠全面，因此還需要更深層次的研究，在硬件方面盡可能的選擇高性能的器件，有了硬件的支持，在軟件設(shè)計(jì)上也就有了一定的優(yōu)勢，相信未來我國在智能機(jī)器人開發(fā)方面會取得更大的進(jìn)步。