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基于分布式控制系統(tǒng)的輪式智能機(jī)器人研究

作者: 時(shí)間:2012-02-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/172189.htm

在當(dāng)前機(jī)領(lǐng)域具有十分突出的地位,其顯著的特點(diǎn)是具有環(huán)境感知、判斷決策、人機(jī)交互等功能。具體地說,應(yīng)該具有可移動(dòng)性,能根據(jù)命令或需要到達(dá)指定工作地點(diǎn)或區(qū)域;應(yīng)具有圖像識(shí)別能力,可進(jìn)行人臉識(shí)別、物件識(shí)別、視覺導(dǎo)航;具有語音識(shí)別與合成功能,可進(jìn)行人機(jī)語音交互,包括用語音命令控制機(jī)工作、人機(jī)語音對(duì)話聊天、媒體(視頻、音頻)語音點(diǎn)播、語音信息查詢、文本語音播放等;具有超聲波測(cè)距與避障功能;具有軌跡跟蹤功能;具有測(cè)光與光源跟蹤功能等。這些功能要求應(yīng)具有較好的協(xié)調(diào)性、實(shí)時(shí)性和可靠性。針對(duì)器人的上述功能特性,我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了器人。

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智能機(jī)器人的控制對(duì)象及功能較多,比較理想的控制系統(tǒng)解決方案是采用控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS),將控制功能在下位機(jī)分散,每個(gè)下位機(jī)完成一項(xiàng)特定功能,各下位機(jī)便可實(shí)現(xiàn)并行工作,這將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度和能力。 DCS的核心思想是集中管理、分散控制[1],即管理與控制分離,上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能,下位機(jī)分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制,各上下位機(jī)之間通過控制網(wǎng)絡(luò)互連以實(shí)現(xiàn)信息傳輸。顯然,采用DCS方案有如下明顯優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理,管理與現(xiàn)場(chǎng)分離,管理更能綜合化和系統(tǒng)化;實(shí)現(xiàn)分散控制,可使各功能模塊的設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試、維護(hù)獨(dú)立,系統(tǒng)控制的危險(xiǎn)性分散,可靠性提高,投資減??;采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),可根據(jù)需要增加以微處理器為核心的功能模塊,具有良好的系統(tǒng)開放性、擴(kuò)展性和升級(jí)特性。

CAN(Controller Area Network)總線[2]作為連接各上下位機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò),非常適用于分布式控制系統(tǒng),因?yàn)樗哂性S多優(yōu)點(diǎn):CAN控制器工作于多主方式,網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)向總線發(fā)送數(shù)據(jù),通信方式靈活;CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響,因而具有突出的可靠性;CAN總線的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn),從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度,縮短了開發(fā)周期;CAN總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只有兩根信號(hào)線,掛接在總線上的設(shè)備可方便地增減,因而具有優(yōu)良的擴(kuò)展性;此外,CAN總線還有傳輸速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、開放性好、成本低等特點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的上位機(jī)由主控計(jì)算機(jī)及所屬的語音和圖像處理單元構(gòu)成,下位機(jī)則是由以1至5號(hào)單片機(jī)為核心的功能模塊所組成,它們分別是移動(dòng)平臺(tái)伺服控制器模塊、測(cè)距控制器模塊、尋跡控制器模塊、測(cè)光控制器模塊、系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖可見,這是一個(gè)典型的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。各功能模塊單元電路在邏輯上相對(duì)獨(dú)立,每個(gè)模塊都是一個(gè)以自己的處理器(單片機(jī))為核心的功能完整的子系統(tǒng),且完成一項(xiàng)特定的功能,各單元均通過CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器與CAN總線相連,實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)及其它功能模塊之間的信息傳輸。系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊除和CAN總線相連外,還有一組狀態(tài)線和控制線分別與其它各功能模塊相連,一方面,該功能模塊要通過狀態(tài)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其它功能電路的工作狀態(tài),另一方面,還要根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的控制決策或突發(fā)事件(如電路故障報(bào)警)通過控制線對(duì)相應(yīng)電路模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制(系統(tǒng)復(fù)位、切斷或接通電源等),以完成系統(tǒng)監(jiān)控功能。

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圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及功能模塊

3.1 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)是分布式控制系統(tǒng)的上位機(jī),主要用于人機(jī)語音交互、系統(tǒng)管理、控制決策、任務(wù)調(diào)度、圖像識(shí)別與處理等。主控計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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圖2 主控計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)圖

功能完善的語音識(shí)別與合成、圖像處理等系統(tǒng)往往比較龐大,需要操作系統(tǒng)和其它相關(guān)軟件資源作支撐,又由于這些信息的處理運(yùn)算量大,因此,這幾項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)以及分布式控制系統(tǒng)中的主控計(jì)算機(jī)須由一臺(tái)高性能PC機(jī)承擔(dān)。故上位機(jī)不僅具備系統(tǒng)管理、控制決策及任務(wù)調(diào)度等功能,還同相關(guān)設(shè)備或部件(CCD、圖像采集卡、聲卡、音頻功放、調(diào)頻發(fā)射與接收機(jī)等)一起組成語音識(shí)別單元、圖像識(shí)別單元、語音合成單元等功能單元。

3.1.1 語音控制臺(tái)

人是機(jī)器人的最高決策者和命令下達(dá)者,對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的這款機(jī)器人下達(dá)任何命令均通過語音控制臺(tái)(手持式微型無線調(diào)頻話筒)以語音方式實(shí)現(xiàn)。這種方式降低了人對(duì)機(jī)器人的操控難度,使之變得友好、自然,實(shí)現(xiàn)了真正意義下的人機(jī)對(duì)話。

3.1.2 語音識(shí)別單元

語音識(shí)別是本機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)不同的應(yīng)用目的和平臺(tái),語音識(shí)別有多種實(shí)現(xiàn)途徑,如用于語音玩具的只能識(shí)別較少數(shù)量孤立單詞的簡(jiǎn)易專用語音識(shí)別芯片;面向嵌入式系統(tǒng)或設(shè)備,對(duì)系統(tǒng)資源要求不高的DSP或其它MCU的語音識(shí)別模塊;支持多服務(wù)器和分布式語音識(shí)別的解決方案;基于PC環(huán)境的語音識(shí)別系統(tǒng)等。

由于語音識(shí)別是人機(jī)交互的關(guān)鍵,因此,本系統(tǒng)宜采用面向PC平臺(tái)、功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的具有連續(xù)語音識(shí)別能力的軟件,如比較成熟的IBM ViaVoice SDK,以及中科院自動(dòng)化所推出的基于PC平臺(tái)的Pattek ASR/P2.0 SDK,這兩個(gè)產(chǎn)品都具有許多共同特點(diǎn),如識(shí)別率高,對(duì)環(huán)境噪聲和口音的適應(yīng)能力強(qiáng);具有非特定人語音識(shí)別功能,適合不同性別和口音的普通話;接口豐富,便于二次開發(fā),可有效縮短開發(fā)周期;抗干擾能力強(qiáng);詞表替換方便,且不需要重新采集語音數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型等。

3.1.3 圖像處理單元

本智能機(jī)器人的圖像處理單元可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、物件識(shí)別與視覺導(dǎo)航。機(jī)器人視覺是近年來人工智能的活躍課題,也是我們本次機(jī)器人研究的重要子課題。一個(gè)優(yōu)秀的人臉及物件目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)具有訓(xùn)練時(shí)間短,識(shí)別速度快,識(shí)別準(zhǔn)確率高等特點(diǎn),因此,算法的研究通?;谶@幾個(gè)特點(diǎn)展開。典型的KL算法在提取圖像的代數(shù)特征方面,其效率和速度均有待提高,且得到的特征向量的可分性也不好;雖然統(tǒng)計(jì)不相關(guān)最佳鑒別變換擁有很好的分類效果,但如果直接利用圖像向量構(gòu)造圖像散布矩陣運(yùn)算量又會(huì)太大,導(dǎo)致識(shí)別速度降低。

在經(jīng)典代數(shù)特征提取方法基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于KL和統(tǒng)計(jì)不相關(guān)最佳鑒別變換的人臉及物件識(shí)別算法,較好地解決了運(yùn)算量和識(shí)別速度、識(shí)別準(zhǔn)確率之間的矛盾。實(shí)際應(yīng)用表明,這套人臉及物件自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、識(shí)別速度快、識(shí)別準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。

我們將改進(jìn)后的算法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn),并使用最小距離分類器進(jìn)行識(shí)別測(cè)試,最終結(jié)果表明:訓(xùn)練時(shí)間明顯減少,訓(xùn)練200幅圖像的時(shí)間小于80秒,訓(xùn)練全部400幅圖像的時(shí)間小于480秒;識(shí)別速度均在1秒之內(nèi),有較大提高;識(shí)別正確率提高,平均正確識(shí)別率明顯高于單獨(dú)的KL和統(tǒng)計(jì)不相關(guān)最佳鑒別變換方法,可達(dá)92%以上。

圖像處理單元還有一個(gè)重要功能,即用于視覺導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航是近年來發(fā)展起來的一種先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù),然而,視覺導(dǎo)航是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜課題,實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)具有很高的難度。其中一種方案是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)通過識(shí)別路徑引導(dǎo)線或標(biāo)志信息為機(jī)器人提供視覺導(dǎo)航,在這種方案中,路徑識(shí)別是視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵。具體思路是:系統(tǒng)通過邊緣檢測(cè)法檢測(cè)路徑引導(dǎo)線,并計(jì)算自身相對(duì)于引導(dǎo)路徑的位姿值,從而進(jìn)行導(dǎo)航控制。

3.1.4 語音合成單元

要實(shí)現(xiàn)人機(jī)語音交互,機(jī)器人除應(yīng)具備能聽懂人的自然語言的語音識(shí)別系統(tǒng)(Speech Recognition,SR)外,還應(yīng)具備能開口說話的語音合成系統(tǒng)(Speech Synthesis,SS)。TTS(Text-to-Speech)即文語轉(zhuǎn)換,是將文字信息轉(zhuǎn)換成語音的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)TTS的核心技術(shù)很復(fù)雜,然而,為幫助軟件開發(fā)者開發(fā)語音軟件,微軟公司提供了支持中文文本的識(shí)別和合成語音引擎Microsoft Speech SDK 5.1,利用該引擎,我們可輕松實(shí)現(xiàn)TTS,創(chuàng)建具有TTS功能的應(yīng)用程序。

3.2 移動(dòng)平臺(tái)伺服控制器

機(jī)器人由移動(dòng)平臺(tái)和平臺(tái)上的機(jī)器人頭部組成。機(jī)器人頭部安裝有一部帶有控制云臺(tái)的攝像機(jī)、一對(duì)全頻音箱、4個(gè)超聲波傳感器、8只光敏傳感器等零部件,而主控計(jì)算機(jī)、各功能模塊電路板、電池組、調(diào)頻接收機(jī)、音頻放大器、紅外光電傳感器等零部件則安裝在移動(dòng)平臺(tái)上。輪式移動(dòng)平臺(tái)采用3組正交輪驅(qū)動(dòng),具有3個(gè)自由度,可實(shí)現(xiàn)仿人靈活移動(dòng)。如圖1所示,由移動(dòng)平臺(tái)伺服控制器、PWM放大器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和增量式光電碼盤構(gòu)成速度閉環(huán)控制。

3.3 測(cè)距控制器

在機(jī)器人頭部裝有4個(gè)超聲波傳感器,用于檢測(cè)四個(gè)方向的障礙物信息,以實(shí)現(xiàn)測(cè)距與避障功能。傳感器的有效檢測(cè)距離在0.3m至5m之間,誤差小于5cm。

3.4 尋跡控制器

5只用于尋跡的紅外光電傳感器置于機(jī)器人正前方,方向朝下,呈對(duì)稱分布,用于檢測(cè)地面的路線軌跡。

本機(jī)器人有多種導(dǎo)航方式。第一種是在其運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置導(dǎo)航信息媒體,由傳感器檢測(cè)導(dǎo)航信息的特性,控制機(jī)器人按規(guī)定的路線行駛的外導(dǎo)式[3],本機(jī)器人利用CCD進(jìn)行路徑識(shí)別的視覺導(dǎo)航、利用紅外光電傳感器檢測(cè)地面的路線軌跡進(jìn)行導(dǎo)航、利用超聲波傳感器進(jìn)行的導(dǎo)航、利用光敏傳感器進(jìn)行的導(dǎo)航等導(dǎo)航方式均屬于外導(dǎo)式。第二種是內(nèi)導(dǎo)式,即按運(yùn)動(dòng)規(guī)劃或預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑行駛的導(dǎo)航方式。

3.5 測(cè)光控制器

安裝在機(jī)器人頭部,彼此呈45度角的8只光敏傳感器,連同對(duì)應(yīng)的8路A/D轉(zhuǎn)換器和測(cè)光控制器,構(gòu)成測(cè)光單元,用于檢測(cè)或追蹤光源。在光敏傳感器和測(cè)光控制器之間加入A/D轉(zhuǎn)換器,可精確檢測(cè)不同方位的光強(qiáng)度。

3.6 系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理

系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控和管理。該模塊具備以下功能:當(dāng)某一電路或功能模塊發(fā)生故障時(shí),由該模塊向主控計(jì)算機(jī)和其它模塊發(fā)出報(bào)警信息,并將該模塊復(fù)位,復(fù)位后若故障消失,則解除警報(bào),否則關(guān)閉該模塊,并通知其它電路停止與該模塊通信;實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),當(dāng)某些功能電路暫不工作時(shí),關(guān)閉其電源,以節(jié)約機(jī)載電能。

4 結(jié)語

該智能機(jī)器人經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),已基本達(dá)到預(yù)期效果,大部分功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。其中,語音識(shí)別與控制、語音合成、超聲波測(cè)距控制、采用紅外光電傳感器的尋跡與控制、測(cè)光與追光、人臉識(shí)別、移動(dòng)平臺(tái)的伺服控制等均取得較好效果,但物件識(shí)別的對(duì)象有一定限制,視覺導(dǎo)航仍有大量工作尚待完成,作為“智能機(jī)器人”的整體智能化程度有待進(jìn)一步提高。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提出了一種基于分布式控制系統(tǒng),具有包括圖像處理(人臉識(shí)別與物件識(shí)別、視覺導(dǎo)航)、語音處理(語音識(shí)別與合成)在內(nèi)的較高智能化程度的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于KL和統(tǒng)計(jì)不相關(guān)最佳鑒別變換的人臉及物件識(shí)別新算法,較好地解決了運(yùn)算量和識(shí)別速度、識(shí)別準(zhǔn)確率之間的矛盾,有效提高了識(shí)別速度和準(zhǔn)確率;提出并實(shí)踐了一種包括視覺導(dǎo)航、語音導(dǎo)航、尋線導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、光電導(dǎo)航以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃導(dǎo)航等在內(nèi)的綜合策略導(dǎo)航方式。實(shí)踐證明,采用該方案后,智能機(jī)器人系統(tǒng)具有較好的可靠性、開放性和魯棒性。

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