如何實現(xiàn)服務(wù)機器人的運算與控制

20世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人類對于自身的不斷了解，機器人的研究也在不斷的深入?，F(xiàn)階段能做出外表接近人類的機器人，走路接近人類的機器人……但這些都屬于很前沿的領(lǐng)域，研究門檻高，實際的商業(yè)用途不是很廣，所以大多還停留在樣品階段，走進市場的很少。隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能手機的大潮，嵌入式處理器正在完成以前臺式處理器做不到的事情，于是乎機器人現(xiàn)階段又被重新定義。在現(xiàn)在的消費領(lǐng)域，某些配備智能處理器和具有互聯(lián)網(wǎng)功能的產(chǎn)品也被成為了機器人，下面列舉一些成熟產(chǎn)品的例子：

下圖是兩款國內(nèi)廠家生產(chǎn)的機器人的產(chǎn)品，屬于生活工具的類別，一般放置在家中，無法自行移動，采用嵌入式處理器，帶有攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、顯示模塊，可以連接手機，通過手機APP端對機器人進行相關(guān)設(shè)置，同時機器人攝像頭采集到的圖像也能實時傳給手機，也可以和手機進行語音對講。機器人也帶有語音識別模塊，如可以向它詢問“明天天氣如何”，他會從網(wǎng)絡(luò)獲取天氣信息然后回答你。這些放置在家中的機器人也可以實現(xiàn)安全監(jiān)測的功能，通過手機實時查看家中的監(jiān)控影像是一點，也可以適配各種傳感器，比如貼在門窗后面的加速度傳感器，當(dāng)門窗被動作時傳感器給機器人發(fā)出信號，機器人隨即通過設(shè)定的方式進行報警。

下圖是兩款國外生產(chǎn)的機器人，最主要的特點是可以運動，屬于智能玩具的范疇。它們都是可以連接智能手機，通過手機對機器人進行設(shè)置，然后把手機當(dāng)做機器人的操作桿，操作機器人做出各種運動，達(dá)到娛樂的目的，機器上裝有攝像頭，也可以在手機上同步看到機器人攝像頭拍攝到的視頻畫面。在玩法也有一些創(chuàng)新，如左邊的機器人在星戰(zhàn)電影里有原形，用手機的攝像頭對準(zhǔn)該機器人，通過手機端的AR技術(shù)，在手機屏幕里可以給機器人加上各種效果，增加娛樂性。

還有一些具有特殊用途的機器人，比如掃地機器人，根據(jù)內(nèi)部的路徑算法清潔地面，同時能自動避開障礙物，快沒電的時候能自動返回充電樁充電。

以后服務(wù)機器人的趨勢會是以上列舉的這些機器人的集大成者，即在軟件智能和機械運動上不斷發(fā)展。軟件智能方面通過高性能的嵌入式處理器實現(xiàn)視頻處理、網(wǎng)絡(luò)連接和語音識別等技術(shù)。機械運動方面先搭配單片機和步進電機通過輪子的滾動實現(xiàn)移動，通過機械零件的增加和算法的改進，逐漸實現(xiàn)動物甚至人體的肢體行走。下面的框圖列出了實現(xiàn)這樣的一個機器人需要采用的可能的技術(shù)：

高性能嵌入式處理器上運行著機器人的核心系統(tǒng)。攝像頭采集視頻圖像，會對圖像中的事物進行一些簡單的判別，比如識別人臉，對靜態(tài)事物的圖像采集也能讓機器人辨別障礙物，或者計算出靜態(tài)事物的大致幾何圖形甚至尺寸，對動態(tài)事物的圖像采集，機器人可以計算出動態(tài)事物的運動軌跡甚至速度。4G和WIFIBT模塊屬于無線通信模塊，有了無線通信機器人才能得到自身之外的更多信號，也可將自身的信息傳達(dá)給別人。語音識別模塊能讓機器人識別聲音，顯示觸摸屏只是機器人與外界交互的一種方式，GPS模塊能讓機器人知道自己的位置信息，存儲模塊除了存儲機器人的系統(tǒng)和各類軟件外，也讓機器人有了記憶功能，前面講的攝像頭采集視頻圖像并計算，計算的結(jié)果可以存儲在存儲模塊中，當(dāng)遇到類似的計算的時候就可以判別事物，同時通過網(wǎng)絡(luò)模塊可以將這類信息傳遞出去分享給更多的機器人。單片機管理著機器人各類基礎(chǔ)的模塊，步進電機控制機器人的運動，各類傳感器讓機器人有了感知外界環(huán)境的能力。紅外模塊可以實現(xiàn)對一些外部電器的操控，電池和電池管理模塊給整個機器人的運轉(zhuǎn)提供能量。

硬件結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)服務(wù)機器人運算和控制的基礎(chǔ)，在高性能嵌入式處理器上運行的操作系統(tǒng)，進行著服務(wù)機器人具體的運算和控制，相當(dāng)于機器人的靈魂，目前主流的三大機器人操作系統(tǒng)有Ubuntu，Android和ROS，Android軟件平臺使用較廣泛，ROS為專用的機器人的軟件平臺。要實現(xiàn)對服務(wù)機器人的運算和控制，軟件平臺需要解決以下這些問題：

1， 分布式計算 現(xiàn)代機器人系統(tǒng)往往需要多個計算機同時運行多個進程，當(dāng)多個機器人需要協(xié)同完成一個任務(wù)時，往往需要互相通信來支撐任務(wù)的完成;

用戶通常通過臺式機、筆記本或者移動設(shè)備發(fā)送指令控制機器人，這種人機交互接口可以認(rèn)為是機器人軟件的一部分。

2， 軟件復(fù)用 隨著機器人研究的快速推進，誕生了一批應(yīng)對導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、建圖等通用任務(wù)的算法。當(dāng)然，任何一個算法實用的前提是其能夠應(yīng)用于新的領(lǐng)域，且不必重復(fù)實現(xiàn)。

3， 快速測試 為機器人開發(fā)軟件比其他軟件開發(fā)更具挑戰(zhàn)性，主要是因為調(diào)試準(zhǔn)備時間長，且調(diào)試過程復(fù)雜。況且，因為硬件維修、經(jīng)費有限等因素，不一定隨時有機器人可供使用。

ROS作為機器人專用的軟件平臺，可在ARM搭配Ubuntu的環(huán)境下運行，對服務(wù)機器人的運算和控制有著很多優(yōu)化和實用性，ROS軟件平臺有以下的優(yōu)點：

(1)點對點設(shè)計

一個使用ROS的系統(tǒng)包括一系列進程，這些進程存在于多個不同的主機并且在運行過程中通過端對端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行聯(lián)系。雖然基于中心服務(wù)器的那些軟件框架也可以實現(xiàn)多進程和多主機的優(yōu)勢，但是在這些框架中，當(dāng)各電腦通過不同的網(wǎng)絡(luò)進行連接時，中心數(shù)據(jù)服務(wù)器就會發(fā)生問題。

ROS的點對點設(shè)計以及服務(wù)和節(jié)點管理器等機制可以分散由計算機視覺和語音識別等功能帶來的實時計算壓力，能夠適應(yīng)多機器人遇到的挑戰(zhàn)。

(2)多語言支持

在寫代碼的時候，許多編程者會比較偏向某一些編程語言。這些偏好是個人在每種語言的編程時間、調(diào)試效果、語法、執(zhí)行效率以及各種技術(shù)和文化的原因?qū)е碌慕Y(jié)果。為了解決這些問題，我們將ROS設(shè)計成了語言中立性的框架結(jié)構(gòu)。ROS現(xiàn)在支持許多種不同的語言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語言的多種接口實現(xiàn)。

(3)精簡與集成

大多數(shù)已經(jīng)存在的機器人軟件工程都包含了可以在工程外重復(fù)使用的驅(qū)動和算法，不幸的是，由于多方面的原因，大部分代碼的中間層都過于混亂，以至于很困難提取出它的功能，也很難把它們從原型中提取出來應(yīng)用到其他方面。

為了應(yīng)對這種趨勢，我們鼓勵將所有的驅(qū)動和算法逐漸發(fā)展成為和ROS沒有依賴性單獨的庫。ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點，各模塊中的代碼可以單獨編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實現(xiàn)精簡的理念。ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序為ROS顯示庫的功能，就允許了對簡單的代碼超越原型進行移植和重新使用。作為一種新加入的有優(yōu)勢，單元測試當(dāng)代碼在庫中分散后也變得非常的容易，一個單獨的測試程序可以測試庫中很多的特點。

(4)工具包豐富

為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，利用了大量的小工具去編譯和運行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個龐大的開發(fā)和運行環(huán)境。

(5)免費并且開源

ROS所有的源代碼都是公開發(fā)布的。我們相信這將必定促進ROS軟件各層次的調(diào)試，不斷的改正錯誤。雖然像Microsoft Robotics Studio和Webots這樣的非開源軟件也有很多值得贊美的屬性，但是我們認(rèn)為一個開源的平臺也是無可為替代的。當(dāng)硬件和各層次的軟件同時設(shè)計和調(diào)試的時候這一點是尤其真實的。

現(xiàn)階段高性能嵌入式處理器在手機平板電腦上運用較多，但這類處理器由于向著手機的行業(yè)方向發(fā)展，接口方面比較傳統(tǒng)和固定，很難滿足機器人的設(shè)計需求。工業(yè)方向的高性能嵌入式處理器不算多，飛思卡爾的imx系列可以算一個不錯的平臺，主要是接口豐富，可定制化的形態(tài)較多，滿足機器人多元化接口的需求。同時imx系列對Ubuntu，Android這兩大操作系統(tǒng)的支持良好，系統(tǒng)在該平臺上運行穩(wěn)定，通過Ubuntu可以支持ROS軟件平臺，ROS軟件平臺的優(yōu)點能很好的解決掉上述機器人軟件開發(fā)的一些問題。辰漢電子作為專攻飛思卡爾imx平臺設(shè)計研發(fā)的上市公司，在對平臺定制方面有著多年的經(jīng)驗和成功案例，在工業(yè)機器人市場有著穩(wěn)定出貨的產(chǎn)品，公司也在服務(wù)機器人市場有著務(wù)實的準(zhǔn)備。