一种智能机器人系统设计和实现

　我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的"活物".其实，这个自控"活物"的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了

　　嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。例如很多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视……

　　1 智能机器人系统机械平台的搭建

　　智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。

　　机器人前部为一四杆机构，使前轮能够在一定范围内调节其高度，主要功能是在机器人前部遇障碍时，前向连杆机构随车轮上抬，而遇到下凹障碍时前车轮先下降着地，以减小震动，提高整机平稳性。在主体的左右两侧，分别配置了平行四边形侧向被动适应机构，该平行四边形机构与主体之间通过铰链与其相连接，是小车行进的主要动力来源。利用两侧平行四边形可任意角度变形的特点，实现自适应各种障碍路面的效果。改变平行四边形机构的角度，可使左右两侧车轮充分与地面接触，使机器人的6个轮子受力尽量均匀，加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整车的平衡性。主体机构主要起到支撑与连接机器人各个部分的作用，同时，整个机器人的控制系统就安装在主体之中。后部机构与主体刚性连接，配备有电机驱动车轮，主要起支撑作用，并配合前轮实现转向。

　　2 智能机器人控制系统硬件结构设计

　　2.1 控制系统总体硬件结构

　　智能机器人控制系统的硬件系统方案设计如图1所示。远程监控端由台式PC主机通过RS232或网络接口连接无线收发模块，完成图像、语音的收集和显示播放再现，监视现场机器人的周围环境，必要时可以通过无线收发模块发送控制命令，完成控制任务。由于研制的进度，本部分即虚线框内的功能正在开发，是今后研究的重点；现场机器人控制端由核心控制板模块、视频采集模块、语音采集模块、人机交互模块、程序下载模块、电机驱动模块、电源模块、无线收发模块等组成。

　　2.2 语音视频采集模块

　　因为机器人需要收集周围环境的信息，监听周围的情况，提供与图像信息同步的语音信息，以便控制人员准确地掌握周围所发生的情况，及时做出决策，所以设计了语音采集模块以完成此项功能。本设计采用了Philips公司的UDA1341TS芯片与微处理器S3C2410相连，提供了完整的语音录制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能够读取IIS总线上的数据，同时也为FIFO数据提供DMA的传输模式，这样能够同时传送和接收数据。在S3C2410处理器中，音频数据的传输可以使用两个DMA通道。如声音播放，先将数据送到内存，然后传到DMA控制器通道2,再通过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片，而通道1则主要用于录音功能。

　　本系统采用基于CMOS图像传感器直接输出数字信号的方案设计视频采集模块。此方案具有模块简单、外围电路少、直接输出数字信号、不用经过中间转换就可以提供进一步的图像处理的诸多特点。本课题选用C3188A摄像头构成视频采集模块。C3188A是1/3″镜头的彩色数字输出的摄像头模块，摄像头芯片采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620.C3188A摄像头模块采用数字和模拟信号输出接口，并提供8/16的数据总线宽度，通过I2C串行通信协议，可以对OV7620内部的寄存器进行编程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、饱和度、色调和图像输出格式等。

　　2.3 电机驱动和电源模块

　　驱动部分是机器人的重要组成部分，它和电机组成机器人的执行机构，完成机器人行走运动。直流电机具有良好的线性调速特性、简单的控制功能、较高的效率、优异的动态特性，被广泛应用在控制系统中。本系统将采用4片L298N电机驱动芯片驱动8个直流电机，采用PWM调速原理控制直流电机达到控制机器人的速度。

　　为了消除电机运转对系统核心开发板SBC2410的干扰，从核心开发板的控制引脚输出的信号，经过16路光电耦合器（需4片TLP521-4）进行信号隔离，脉宽调制PWM控制光电耦合器的开关，以达到控制L298N驱动芯片的目的，并驱动电机按照所需的速度运转。

　　在电源方面，设计的系统电源主要供给核心控制板模块、电机驱动模块、人机交互模块所用的640?鄢480TFT/LCD显示器、视频采集模块、无线收发模块（预留扩展）和语音采集模块。系统最终选用12 V的电瓶供电，可直接给电机驱动芯片和LCD显示器供电。但由于系统模块多，所需电流大，所以在提供12 V转5 V电压时，选择开关电源芯片LM2576作为电压变换核心器件，它能承受最大3 A的电流输出。

　　3 智能机器人控制系统软件结构设计

　　机器人控制系统的实时性好坏对于整个机器人系统的性能极其重要，控制系统的实时性越强，机器人处理异常情况的能力越强。由于μC/OS-Ⅱ是一种源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统，所以本设计就采用μC/OS-Ⅱ提供多任务支持，再整合人机界面μC/GUI和底层驱动程序及应用程序等构建机器人软件控制系统，实现对整个机器人的实时控制，完成智能控制任务。

　　3.1 控制系统总体软件结构

　　软件系统主要由应用软件、内核、系统服务、驱动程序等组成。其构成示意图如图2.

　　图2中硬件平台是指核心控制模块及其外围扩展模块，如视频采集模块、语音采集模块等；驱动程序是指系统对LCD、直流电机、摄像头模块、语音采集模块等程序；内核是指嵌入式操作系统，本系统采用的是μC/OS-Ⅱ操作系统；系统服务是指图形界面μC/GUI和文件系统等；应用程序是指为完成控制系统所规划的任务等程序。

　　3.2 基于μC/GUI的界面设计

　　μC/GUI是嵌入式应用中通用的图形软件，是为带LCD的图形应用系统提供高效的图形用户接口而设计的，它不依赖于处理器和LCD控制器。μC/GUI在多任务环境下工作与在单任务环境下工作性能同样卓越，任何尺寸大小的显示设备，不管是物理的或是虚拟的，只要具备LCD控制器和处理器，都可以运用μC/GUI.μC/GUI产品包中包含有所有的源代码。实际上，在所有的嵌入式图形用户接口中，μC/GUI提供的源代码是最整洁最统一的。μC/GUI提供的所有服务都以该模块相关的前缀开始（如：GUI,WM），这将易于理解应用程序中与μC/GUI相关的函数。同时，μC/GUI所有的服务都有很明晰的分类：GUI表示二维图形，GUI_AA表示反锯齿等。

　　中间件μC/GUI界面应用程序向用户提供了丰富的API接口函数，为窗口设计提供了方便。在设计中，为了绘制一幅背景图片，首先使用位图转换工具把bmp格式的位图转换成μC/GUI支持的C文件，供μC/GUI函数调用。然后根据μC/GUI提供的API函数设计系统界面。用到的API函数主要有位图显示函数、窗口创建函数、窗口客户区句柄获取函数、按钮创建函数、文本框创建函数和滑动进度条创建函数等。设计的界面最终在8英寸LCD液晶屏上显示。本系统设计的窗口主要由两个子窗口组成：上方窗口主要用于视频显示，可以通过触摸屏点击开始或结束，视频数据将自动存入规划好的内存图像存储区，以便进一步处理利用，并可选择机器人所处环境的特定算法程序，且运行相应的程序；下方的窗口工具条主要完成机器人现场音频数据的收集、播放及停止采集，录制的音频信息将自动存入规划好的内存音频数据存储区Sound_Buffer中，而播放的音频数据放在内存Play_Buffer中，它们采用的都是内存映射技术。

　　3.3 用户任务设计

　　基于μC/OS-Ⅱ的任务管理机制，根据系统的功能要求，划分为6个系统任务，并设置每个任务的优先级，如表1所示。

　　(1)Motor_Drive_Task——定时中断节拍进行计时，在任务循环块中，接收图像处理控制算法中形成的电机驱动参数，即Image_Analyze_Task任务中产生的电机驱动参数，更新PWM输出，完成机器人所需运动轨迹姿态的调整，随后挂起自身。

　　(2)Image_Analyze_Task——获取在内存循环队列中的图像数据，在任务循环块中检测图像信号量。如果没有在一定时期内进行任务调度，则挂起自身；若有则对获取内存循坏队列中的图像数据进行分析处理，得出电机驱动参数并发送该信息至消息队列中，然后释放图像信号量，再挂起自身。

　　(3)Sound_Record_Task——用于采集、存储机器人周围环境声音信息数据到声音队列中。

　　(4)Sound_Play_Task——定时从内存声音播放存储处，即Play_Buffer中提取数据放到队列中进行播放。

　　(5)Image_Collect_Task——建立窗口界面，在任务循坏块中检测图像信号量。如果没有在一定时期内进行任务调度，则挂起自身；如果检测到图像信号量，则采集一幅图像到图像存储循坏队列中，采集完成，再释放图像信号量，挂起自身。

　　(6)GUI_Update_Task——按照μC/GUI手册规定，当其使用窗口回调机制，建议把它设为最低优先级别的任务，用来更新回调信息，并且该任务必须实现，且要定期调用。

　　4 试验研究分析

　　设计并完成装配的机器人的样机如图3所示，其中A为摄像头模块，B为麦克风，C为液晶屏，D为喇叭，E为12 V电瓶。摄像头离地的高度为450 mm，摄像头光轴与水平面角度为60°。

　　4.1 视频图像采集试验

　　由于本文采用的核心控制板的I/O口资源有限，因此，对图像采集的控制信号线用普通的I/O口，而不是用中断I/O口与其摄像头模块相连，因此只能用软件实时检测I/O的电平状态，决定何时采集开始，何时读数据，何时结束。为了能够采集到图像数据并能分辨出来，必须能够跟踪控制信号的变化状态，如果不对摄像头模块进行降频处理，则由于I/O口电平的变化频率远低于摄像头控制信号的变化频率，将导致I/O口无法跟踪控制信号变化，即将无法判断帧、行、点何时开始与结束这些状态信息。当摄像头的最高频率（点像素频率最高）降到1 MHz左右，系统就能跟踪并完整地采集到图像信息，并进一步处理之后完好地显示出来。采集到的实验数据如表2所示（示波器采用x10档）。

　　从以上的图与表可以清楚地看出：系统的控制信号非常完整和稳定，没有出现毛刺、变形等情况，给检测读取带来了方便。Y0数据信号也很规整，其他数据信号，如Y1～Y7也是如此。Y0的波形图中有些段是低电平，出现的位置不一样，这是因为摄像头移动的时候，环境光发生了变化，引起整个Y数据变化，从Y0数据也可以清楚看出这一点，并且从图像上也能很明显地感到图像在实时移动变化着。

　　4.2 直线爬坡试验

　　对于移动机器人来说，在非结构化环境中，最典型的情况就是平地、斜坡与台阶，对其走直线与爬坡的试验如图4所示。

　　实验场地是绿色毛毯状物质。机器人上电工作之后，就开始在控制算法下运行电机控制任务，输出控制信号，驱动电机运行，机器人就沿着直线方向以0.17 m/s（理论计算值最高可达0.183 m/s）的速度前进。反复进行10次路径长为5 m的直线行走实验，发现最大偏差为0.25 m，最小偏差为0.08 m，平均偏差为0.184 m。分析其原因，是由于电机的负载能力、启动特性、机械结构、机器人的重心位置及轮子与地面的摩擦阻力等因素所造成的。

　　在爬坡实验中，主要测试的是机器人单侧爬坡的能力和效果。斜坡的倾斜角度是可调整的。对其进行了9次的爬坡实验，角度从20°～60°的范围变化，发现随着角度每增加，爬坡的难度将变得越来越困难。当在36°左右时，机器人还能够保持整体结构平衡，能够沿着斜坡运动前进并能越过障碍，而在41°左右时就无法前进。这些结果显示，机器人爬坡能力较强，能够翻越比较大的斜坡。但有些地方需要改进，如运动轮子摩擦不够，轮子宽度较窄，后轮驱动力稍有不足，与其相连的机械结构臂刚度不够等。今后需对其进行仿真优化。

　　4.3 智能巡线试验

　　机器人的巡线可用于机器人比赛、自动化无人工厂、仓库、服务机器人等领域，因此研究巡线实现过程有一定的现实意义。试验如图5所示。

　　(1)控制算法描述：机器人的动态巡线过程，需要提取并能检测判断机器人相对白线的位置情况，形成控制策略，完成机器人的运动姿态调整。其算法实现流程如图6所示，巡线偏移情况如图7所示。