基于嵌入式技術(shù)的智能機(jī)器人系統(tǒng)研究

　　近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始從制造業(yè)向非制造領(lǐng)域擴(kuò)展，如宇宙探索、海底探查、管道鋪設(shè)和檢修、醫(yī)療、軍事、服務(wù)、娛樂(lè)等，基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境、極限環(huán)境的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究已成為機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。同時(shí)，隨著嵌入式處理器的高度發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在體積、價(jià)格、功耗、性能、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。如果將嵌入式系統(tǒng)很好地與機(jī)器人技術(shù)融合，前景不可估量，因此，研究在嵌入式條件下的機(jī)器人技術(shù)也更有現(xiàn)實(shí)意義。

　　本設(shè)計(jì)將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，采用基于ARM920T核的S3C2410芯片作為主控CPU，使用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)，并集成必要的中間件μC/GUI和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序，構(gòu)建成一個(gè)完整的智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，完成周?chē)h(huán)境的圖像、聲音等信息的采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障等功能。系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，將來(lái)可用于在惡劣條件下的軍事偵察攻擊及反恐防爆等領(lǐng)域。

1 智能機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)的搭建

　　對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人及仿生機(jī)器人的研究發(fā)現(xiàn)，智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)大致分為三類(lèi)，分別為輪式、履帶式和腿式，這三種機(jī)械模型各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，輪式移動(dòng)機(jī)器人以其地面適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行可靠和控制方便而成為移動(dòng)機(jī)器人首要的選擇方案，也是本文所介紹機(jī)器人采用的結(jié)構(gòu)。

　　該機(jī)器人由前部機(jī)構(gòu)、主體機(jī)構(gòu)、側(cè)向機(jī)構(gòu)、后部機(jī)構(gòu)四部分組成。系統(tǒng)共配有6個(gè)車(chē)輪，每個(gè)直徑均為100 mm，均為主動(dòng)輪。其中，前后輪上各安裝有兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)后退；其余四個(gè)車(chē)輪分布在主體的兩側(cè)，每個(gè)輪上各有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)后退。

　　機(jī)器人前部為一四桿機(jī)構(gòu)，使前輪能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其高度，主要功能是在機(jī)器人前部遇障礙時(shí)，前向連桿機(jī)構(gòu)隨車(chē)輪上抬，而遇到下凹障礙時(shí)前車(chē)輪先下降著地，以減小震動(dòng)，提高整機(jī)平穩(wěn)性。在主體的左右兩側(cè)，分別配置了平行四邊形側(cè)向被動(dòng)適應(yīng)機(jī)構(gòu)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)與主體之間通過(guò)鉸鏈與其相連接，是小車(chē)行進(jìn)的主要?jiǎng)恿?lái)源。利用兩側(cè)平行四邊形可任意角度變形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)各種障礙路面的效果。改變平行四邊形機(jī)構(gòu)的角度，可使左右兩側(cè)車(chē)輪充分與地面接觸，使機(jī)器人的6個(gè)輪子受力盡量均勻，加強(qiáng)機(jī)器人對(duì)不同路面的適應(yīng)能力，更加平穩(wěn)地越過(guò)障礙，并且更好地保證整車(chē)的平衡性。主體機(jī)構(gòu)主要起到支撐與連接機(jī)器人各個(gè)部分的作用，同時(shí)，整個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)就安裝在主體之中。后部機(jī)構(gòu)與主體剛性連接，配備有電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，主要起支撐作用，并配合前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

　　智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控端由臺(tái)式PC主機(jī)通過(guò)RS232或網(wǎng)絡(luò)接口連接無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，完成圖像、語(yǔ)音的收集和顯示播放再現(xiàn)，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的周?chē)h(huán)境，必要時(shí)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送控制命令，完成控制任務(wù)。由于研制的進(jìn)度，本部分即虛線(xiàn)框內(nèi)的功能正在開(kāi)發(fā)，是今后研究的重點(diǎn)；現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人控制端由核心控制板模塊、視頻采集模塊、語(yǔ)音采集模塊、人機(jī)交互模塊、程序下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等組成。

2.2 語(yǔ)音視頻采集模塊

　　因?yàn)闄C(jī)器人需要收集周?chē)h(huán)境的信息，監(jiān)聽(tīng)周?chē)那闆r，提供與圖像信息同步的語(yǔ)音信息，以便控制人員準(zhǔn)確地掌握周?chē)l(fā)生的情況，及時(shí)做出決策，所以設(shè)計(jì)了語(yǔ)音采集模塊以完成此項(xiàng)功能。本設(shè)計(jì)采用了Philips公司的UDA1341TS芯片與微處理器S3C2410相連，提供了完整的語(yǔ)音錄制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能夠讀取IIS總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為FIFO數(shù)據(jù)提供DMA的傳輸模式，這樣能夠同時(shí)傳送和接收數(shù)據(jù)。在S3C2410處理器中,音頻數(shù)據(jù)的傳輸可以使用兩個(gè)DMA通道。如聲音播放，先將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存，然后傳到DMA控制器通道2，再通過(guò)IIS控制器寫(xiě)入IIS總線(xiàn)并傳輸給音頻芯片，而通道1則主要用于錄音功能。

　　本系統(tǒng)采用基于CMOS圖像傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)的方案設(shè)計(jì)視頻采集模塊。此方案具有模塊簡(jiǎn)單、外圍電路少、直接輸出數(shù)字信號(hào)、不用經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換就可以提供進(jìn)一步的圖像處理的諸多特點(diǎn)。本課題選用C3188A攝像頭構(gòu)成視頻采集模塊。C3188A是1/3″鏡頭的彩色數(shù)字輸出的攝像頭模塊，攝像頭芯片采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7620。C3188A攝像頭模塊采用數(shù)字和模擬信號(hào)輸出接口，并提供8/16的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，通過(guò)I2C串行通信協(xié)議，可以對(duì)OV7620內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、飽和度、色調(diào)和圖像輸出格式等。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源模塊

　　驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人的重要組成部分，它和電機(jī)組成機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)具有良好的線(xiàn)性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制功能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，被廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)將采用4片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)8個(gè)直流電機(jī)，采用PWM調(diào)速原理控制直流電機(jī)達(dá)到控制機(jī)器人的速度。

　　為了消除電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)核心開(kāi)發(fā)板SBC2410的干擾，從核心開(kāi)發(fā)板的控制引腳輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)16路光電耦合器（需4片TLP521-4）進(jìn)行信號(hào)隔離，脈寬調(diào)制PWM控制光電耦合器的開(kāi)關(guān)，以達(dá)到控制L298N驅(qū)動(dòng)芯片的目的，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照所需的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　在電源方面，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電源主要供給核心控制板模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊所用的640?鄢480TFT/LCD顯示器、視頻采集模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊(預(yù)留擴(kuò)展)和語(yǔ)音采集模塊。系統(tǒng)最終選用12 V的電瓶供電，可直接給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和LCD顯示器供電。但由于系統(tǒng)模塊多，所需電流大，所以在提供12 V轉(zhuǎn)5 V電壓時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576作為電壓變換核心器件，它能承受最大3 A的電流輸出。

3 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好壞對(duì)于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能極其重要，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，機(jī)器人處理異常情況的能力越強(qiáng)。由于μC/OS-Ⅱ是一種源代碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)就采用μC/OS-Ⅱ提供多任務(wù)支持，再整合人機(jī)界面μC/GUI和底層驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序等構(gòu)建機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，完成智能控制任務(wù)。

3.1 控制系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件系統(tǒng)主要由應(yīng)用軟件、內(nèi)核、系統(tǒng)服務(wù)、驅(qū)動(dòng)程序等組成。其構(gòu)成示意圖如圖2。

　　基于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)管理機(jī)制，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，劃分為6個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，并設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，如表1所示。

　　設(shè)計(jì)并完成裝配的機(jī)器人的樣機(jī)如圖3所示，其中A為攝像頭模塊，B為麥克風(fēng)，C為液晶屏，D為喇叭，E為12 V電瓶。攝像頭離地的高度為450 mm，攝像頭光軸與水平面角度為60°。

4.1 視頻圖像采集試驗(yàn)

　　由于本文采用的核心控制板的I/O口資源有限，因此，對(duì)圖像采集的控制信號(hào)線(xiàn)用普通的I/O口，而不是用中斷I/O口與其攝像頭模塊相連，因此只能用軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)I/O的電平狀態(tài)，決定何時(shí)采集開(kāi)始，何時(shí)讀數(shù)據(jù)，何時(shí)結(jié)束。為了能夠采集到圖像數(shù)據(jù)并能分辨出來(lái)，必須能夠跟蹤控制信號(hào)的變化狀態(tài)，如果不對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行降頻處理，則由于I/O口電平的變化頻率遠(yuǎn)低于攝像頭控制信號(hào)的變化頻率，將導(dǎo)致I/O口無(wú)法跟蹤控制信號(hào)變化，即將無(wú)法判斷幀、行、點(diǎn)何時(shí)開(kāi)始與結(jié)束這些狀態(tài)信息。當(dāng)攝像頭的最高頻率（點(diǎn)像素頻率最高）降到1 MHz左右，系統(tǒng)就能跟蹤并完整地采集到圖像信息，并進(jìn)一步處理之后完好地顯示出來(lái)。采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示（示波器采用x10檔）。

　　對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，最典型的情況就是平地、斜坡與臺(tái)階，對(duì)其走直線(xiàn)與爬坡的試驗(yàn)如圖4所示。

　　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是綠色毛毯狀物質(zhì)。機(jī)器人上電工作之后，就開(kāi)始在控制算法下運(yùn)行電機(jī)控制任務(wù)，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，機(jī)器人就沿著直線(xiàn)方向以0.17 m/s（理論計(jì)算值最高可達(dá)0.183 m/s）的速度前進(jìn)。反復(fù)進(jìn)行10次路徑長(zhǎng)為5 m的直線(xiàn)行走實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最大偏差為0.25 m，最小偏差為0.08 m，平均偏差為0.184 m。分析其原因，是由于電機(jī)的負(fù)載能力、啟動(dòng)特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的重心位置及輪子與地面的摩擦阻力等因素所造成的。

　　在爬坡實(shí)驗(yàn)中，主要測(cè)試的是機(jī)器人單側(cè)爬坡的能力和效果。斜坡的傾斜角度是可調(diào)整的。對(duì)其進(jìn)行了9次的爬坡實(shí)驗(yàn)，角度從20°～60°的范圍變化，發(fā)現(xiàn)隨著角度每增加，爬坡的難度將變得越來(lái)越困難。當(dāng)在36°左右時(shí)，機(jī)器人還能夠保持整體結(jié)構(gòu)平衡，能夠沿著斜坡運(yùn)動(dòng)前進(jìn)并能越過(guò)障礙，而在41°左右時(shí)就無(wú)法前進(jìn)。這些結(jié)果顯示，機(jī)器人爬坡能力較強(qiáng)，能夠翻越比較大的斜坡。但有些地方需要改進(jìn)，如運(yùn)動(dòng)輪子摩擦不夠，輪子寬度較窄，后輪驅(qū)動(dòng)力稍有不足，與其相連的機(jī)械結(jié)構(gòu)臂剛度不夠等。今后需對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化。

4.3 智能巡線(xiàn)試驗(yàn)

　　機(jī)器人的巡線(xiàn)可用于機(jī)器人比賽、自動(dòng)化無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域，因此研究巡線(xiàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程有一定的現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)如圖5所示。

　　(1)控制算法描述：機(jī)器人的動(dòng)態(tài)巡線(xiàn)過(guò)程，需要提取并能檢測(cè)判斷機(jī)器人相對(duì)白線(xiàn)的位置情況，形成控制策略，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整。其算法實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，巡線(xiàn)偏移情況如圖7所示。

　?、僭诂F(xiàn)場(chǎng)采集一幅圖像，如圖8(a)所示(理想情況)，大小為320×240像素。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠很好地實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)爬坡、巡線(xiàn)行走等功能，并可以實(shí)時(shí)采集聲音和圖像信息。在數(shù)據(jù)處理上，采用ARM9核的S3C2410處理器，數(shù)據(jù)處理快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、效率高。本文所設(shè)計(jì)的嵌入式智能機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)研究嵌入式技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)有一定的參考意義。該技術(shù)也可以應(yīng)用于機(jī)器人比賽、自動(dòng)化無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。