一種智能機器人系統設計和實(shí)現

　我們從廣泛意義上理解所謂的智能機器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)獨特的進(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(méi)有像真正的人那樣微妙而復雜。智能機器人具備形形色色的內部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)。除具有感受器外，它還有效應器，作為作用于周?chē)h(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱(chēng)自整步電動(dòng)機，它們使手、腳、長(cháng)鼻子、觸角等動(dòng)起來(lái)。我們稱(chēng)這種機器人為自控機器人，以便使它同前面談到的機器人區分開(kāi)來(lái)。它是控制論產(chǎn)生的結果，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)智能機器人制造者所說(shuō)的，機器人是一種系統的功能描述，這種系統過(guò)去只能從生命細胞生長(cháng)的結果中得到，現在它們已經(jīng)成了我們自己能夠制造的東西了

　　嵌入式是一種專(zhuān)用的計算機系統，作為裝置或設備的一部分。通常，嵌入式系統是一個(gè)控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數字接口的設備，如手表、微波爐、錄像機、汽車(chē)等，都使用嵌入式系統，有些嵌入式系統還包含操作系統，但大多數嵌入式系統都是是由單個(gè)程序實(shí)現整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)近年來(lái)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)也相當明顯。例如很多行業(yè)：手機、PDA、車(chē)載導航、工控、軍工、多媒體終端、網(wǎng)關(guān)、數字電視……

　　1 智能機器人系統機械平臺的搭建

　　智能機器人需要有一個(gè)無(wú)軌道型的移動(dòng)機構，以適應諸如平地、臺階、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(pán)、氣墊等移動(dòng)機構來(lái)完成。在運動(dòng)過(guò)程中要對移動(dòng)機構進(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(guò)程，而計算機則是完成這個(gè)處理過(guò)程的主要手段。

　　機器人前部為一四桿機構，使前輪能夠在一定范圍內調節其高度，主要功能是在機器人前部遇障礙時(shí)，前向連桿機構隨車(chē)輪上抬，而遇到下凹障礙時(shí)前車(chē)輪先下降著(zhù)地，以減小震動(dòng)，提高整機平穩性。在主體的左右兩側，分別配置了平行四邊形側向被動(dòng)適應機構，該平行四邊形機構與主體之間通過(guò)鉸鏈與其相連接，是小車(chē)行進(jìn)的主要動(dòng)力來(lái)源。利用兩側平行四邊形可任意角度變形的特點(diǎn)，實(shí)現自適應各種障礙路面的效果。改變平行四邊形機構的角度，可使左右兩側車(chē)輪充分與地面接觸，使機器人的6個(gè)輪子受力盡量均勻，加強機器人對不同路面的適應能力，更加平穩地越過(guò)障礙，并且更好地保證整車(chē)的平衡性。主體機構主要起到支撐與連接機器人各個(gè)部分的作用，同時(shí)，整個(gè)機器人的控制系統就安裝在主體之中。后部機構與主體剛性連接，配備有電機驅動(dòng)車(chē)輪，主要起支撐作用，并配合前輪實(shí)現轉向。

　　2 智能機器人控制系統硬件結構設計

　　2.1 控制系統總體硬件結構

　　智能機器人控制系統的硬件系統方案設計如圖1所示。遠程監控端由臺式PC主機通過(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，監視現場(chǎng)機器人的周?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)框內的功能正在開(kāi)發(fā)，是今后研究的重點(diǎn)；現場(chǎng)機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、人機交互模塊、程序下載模塊、電機驅動(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

　　因為機器人需要收集周?chē)h(huán)境的信息，監聽(tīng)周?chē)那闆r，提供與圖像信息同步的語(yǔ)音信息，以便控制人員準確地掌握周?chē)l(fā)生的情況，及時(shí)做出決策，所以設計了語(yǔ)音采集模塊以完成此項功能。本設計采用了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)上的數據，同時(shí)也為FIFO數據提供DMA的傳輸模式，這樣能夠同時(shí)傳送和接收數據。在S3C2410處理器中，音頻數據的傳輸可以使用兩個(gè)DMA通道。如聲音播放，先將數據送到內存，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。

　　本系統采用基于CMOS圖像傳感器直接輸出數字信號的方案設計視頻采集模塊。此方案具有模塊簡(jiǎn)單、外圍電路少、直接輸出數字信號、不用經(jīng)過(guò)中間轉換就可以提供進(jìn)一步的圖像處理的諸多特點(diǎn)。本課題選用C3188A攝像頭構成視頻采集模塊。C3188A是1/3″鏡頭的彩色數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攝像頭模塊采用數字和模擬信號輸出接口，并提供8/16的數據總線(xiàn)寬度，通過(guò)I2C串行通信協(xié)議，可以對OV7620內部的寄存器進(jìn)行編程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、飽和度、色調和圖像輸出格式等。

　　2.3 電機驅動(dòng)和電源模塊

　　驅動(dòng)部分是機器人的重要組成部分，它和電機組成機器人的執行機構，完成機器人行走運動(dòng)。直流電機具有良好的線(xiàn)性調速特性、簡(jiǎn)單的控制功能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，被廣泛應用在控制系統中。本系統將采用4片L298N電機驅動(dòng)芯片驅動(dòng)8個(gè)直流電機，采用PWM調速原理控制直流電機達到控制機器人的速度。

　　為了消除電機運轉對系統核心開(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，經(jīng)過(guò)16路光電耦合器（需4片TLP521-4）進(jìn)行信號隔離，脈寬調制PWM控制光電耦合器的開(kāi)關(guān)，以達到控制L298N驅動(dòng)芯片的目的，并驅動(dòng)電機按照所需的速度運轉。

　　在電源方面，設計的系統電源主要供給核心控制板模塊、電機驅動(dòng)模塊、人機交互模塊所用的640?鄢480TFT/LCD顯示器、視頻采集模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊（預留擴展）和語(yǔ)音采集模塊。系統最終選用12 V的電瓶供電，可直接給電機驅動(dòng)芯片和LCD顯示器供電。但由于系統模塊多，所需電流大，所以在提供12 V轉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 智能機器人控制系統軟件結構設計

　　機器人控制系統的實(shí)時(shí)性好壞對于整個(gè)機器人系統的性能極其重要，控制系統的實(shí)時(shí)性越強，機器人處理異常情況的能力越強。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，所以本設計就采用μC/OS-Ⅱ提供多任務(wù)支持，再整合人機界面μC/GUI和底層驅動(dòng)程序及應用程序等構建機器人軟件控制系統，實(shí)現對整個(gè)機器人的實(shí)時(shí)控制，完成智能控制任務(wù)。