一種智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　我們從廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的活物.其實(shí)，這個(gè)自控活物的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長(zhǎng)鼻子、觸角等動(dòng)起來。我們稱這種機(jī)器人為自控機(jī)器人，以便使它同前面談到的機(jī)器人區(qū)分開來。它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果，控制論主張這樣的事實(shí)：生命和非生命有目的的行為在很多方面是一致的。正像一個(gè)智能機(jī)器人制造者所說的，機(jī)器人是一種系統(tǒng)的功能描述，這種系統(tǒng)過去只能從生命細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)果中得到，現(xiàn)在它們已經(jīng)成了我們自己能夠制造的東西了

　　嵌入式是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個(gè)程序實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)近年來得到了飛速的發(fā)展，但是嵌入式產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，彼此之間的特點(diǎn)也相當(dāng)明顯。例如很多行業(yè)：手機(jī)、PDA、車載導(dǎo)航、工控、軍工、多媒體終端、網(wǎng)關(guān)、數(shù)字電視……

　　1 智能機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)的搭建

　　智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺(tái)階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動(dòng)。這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。

　　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)隨車輪上抬，而遇到下凹障礙時(shí)前車輪先下降著地，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)與主體之間通過鉸鏈與其相連接，是小車行進(jìn)的主要?jiǎng)恿碓?。利用兩?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)地越過障礙，并且更好地保證整車的平衡性。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RS232或網(wǎng)絡(luò)接口連接無線收發(fā)模塊，完成圖像、語音的收集和顯示播放再現(xiàn)，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的周圍環(huán)境，必要時(shí)可以通過無線收發(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，本部分即虛線框內(nèi)的功能正在開發(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、無線收發(fā)模塊等組成。

　　2.2 語音視頻采集模塊

　　因?yàn)闄C(jī)器人需要收集周圍環(huán)境的信息，監(jiān)聽周圍的情況，提供與圖像信息同步的語音信息，以便控制人員準(zhǔn)確地掌握周圍所發(fā)生的情況，及時(shí)做出決策，所以設(shè)計(jì)了語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，提供了完整的語音錄制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能夠讀取IIS總線上的數(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IIS控制器寫入IIS總線并傳輸給音頻芯片，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)總線寬度，通過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)核心開發(fā)板SBC2410的干擾，從核心開發(fā)板的控制引腳輸出的信號(hào)，經(jīng)過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、無線收發(fā)模塊（預(yù)留擴(kuò)展）和語音采集模塊。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、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)。