嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)研究

趙洋?褚琦

摘要：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，人工智能對(duì)于機(jī)器人領(lǐng)域的重要性不言而喻，尤其在對(duì)理解自然語(yǔ)言、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器視覺和智能調(diào)度和智慧的研究中，使機(jī)器人在越來越多的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)就嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)做了探討和分析。

關(guān)鍵詞：嵌入式；智能機(jī)器人；人工智能

人工智能是指研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器。目前能夠用來研究人工智能的主要物質(zhì)手段以及能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能技術(shù)的機(jī)器就是計(jì)算機(jī)，人工智能的發(fā)展歷史是和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史聯(lián)系在一起的。人工智能理論進(jìn)入21世紀(jì)，正醞釀著新的突破，人工智能的研究成果將能夠創(chuàng)造出更多更高級(jí)的智能“制品”——機(jī)器人，并使之在越來越多的領(lǐng)域超越人類智能，人工智能將為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和改善人類生活做出更大貢獻(xiàn)。

一、嵌入式系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

嵌入系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由嵌入微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用軟件等部分組成。用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能，它通常嵌入在主要設(shè)備中運(yùn)行。一個(gè)最小的嵌入式系統(tǒng)的基本組成為： 一個(gè)用作引導(dǎo)的可用設(shè)施（工具）；一個(gè)具備內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和定時(shí)器服務(wù)的LINUX微內(nèi)核； 一個(gè)初始進(jìn)程；硬件的驅(qū)動(dòng)程序； 一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)程以提供必要的應(yīng)用功效。 嵌入式系統(tǒng)與普通的PC系統(tǒng)相比主要具有以下特點(diǎn)： 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專用性強(qiáng)。嵌入式CPU工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把PC中許多板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化。嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲(chǔ)芯片或單片機(jī)本身中，以提高實(shí)行速度與系統(tǒng)可靠性。硬軟件都必須高效設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要精簡(jiǎn)，對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高。操作系統(tǒng)一般和軟件集成在一起。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可分為管理協(xié)調(diào)層、信息處理層、運(yùn)動(dòng)控制層和感知反饋層。最頂層是管理協(xié)調(diào)層，具有最高的智能水平，由操作人員通過無線遙控操作和語(yǔ)音識(shí)別等負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的管理與控制；信息處理層由移動(dòng)機(jī)器人的主控計(jì)算機(jī)擔(dān)任，根據(jù)作業(yè)任務(wù)指示以及感知模塊的反饋信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃形成具體的作業(yè)指令；運(yùn)動(dòng)控制層負(fù)責(zé)完成機(jī)器人的電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行，由 CPU 發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，從而完成操作人員所賦予的任務(wù)；感知反饋層位于系統(tǒng)的最底層，用于與環(huán)境的直接交互，其功能是獲取環(huán)境信息和機(jī)器人自身狀態(tài)信息。微軟的嵌入式操作系統(tǒng)WinCE。NET可以很好地滿足嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)的開發(fā)，它提供了優(yōu)秀的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境以及系統(tǒng)定制工具，使得整個(gè)嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)更加緊湊實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。這里采用Embedded Visual C++作為平臺(tái)的開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮哪K化軟件開發(fā)思想設(shè)計(jì)開發(fā)軟件系統(tǒng)。按照這種設(shè)計(jì)思想，可以將整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊獨(dú)立地劃分出來。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件主要由嵌入式微處理器板和驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成，包括控制處理，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、感知顯示、無線通訊、電源轉(zhuǎn)換等模塊。系統(tǒng)采用集中式控制方式，嵌入式主板負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制決策、視覺處理、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及總體控制等，是機(jī)器人的控制中心，承擔(dān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的大量實(shí)時(shí)計(jì)算工作。它的性能將直接影響機(jī)器人的實(shí)時(shí)性能，它是整個(gè)機(jī)器人的控制中心。各功能模塊介紹如下： 控制模塊是智能平臺(tái)的控制中心，負(fù)責(zé)與其它各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此選用了一款性能較高，具有豐富接口的嵌入式計(jì)算機(jī)主板。這款主板支持的CPU主頻為1.0GHz，高度集成了聲卡、顯卡和網(wǎng)絡(luò)等功能。主板設(shè)備采用PCI技術(shù)，具有良好的計(jì)算性能，非常適合于機(jī)器人。 感知模塊主要包括視覺系統(tǒng)、語(yǔ)音交互、激光檢測(cè)等。視覺系統(tǒng)采用2個(gè)USB攝像頭，由計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送控制命令到云臺(tái)，控制其俯仰角和側(cè)擺角。利用雙目視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自主機(jī)器人的自定位和目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤等；人機(jī)交互的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別與合成系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定命令集的識(shí)別。用戶可以直接通過語(yǔ)音向機(jī)器人發(fā)送控制命令，完成諸如前進(jìn)、后退、找球等基本動(dòng)作，同時(shí)還可以完成避障、射門等需要環(huán)境信息的復(fù)雜動(dòng)作。同時(shí)機(jī)器人可以通過語(yǔ)音合成系統(tǒng)完成自我介紹以及和用戶對(duì)話等功能，這在導(dǎo)游和娛樂機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用空間。 顯示模塊完成LCD觸摸屏與PC嵌入式模塊連接，實(shí)現(xiàn)顯示功能和人機(jī)交互功能。 無線網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與PC機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)采用Client/Server的結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)建了WinCE。NET操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行通訊。用戶可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控PC上觀看機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，避免機(jī)器人出現(xiàn)意外事故。

四、結(jié)束語(yǔ)

嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)的開發(fā)使得我們常見的自主式機(jī)器人不再局限于PC機(jī)模式，使得系統(tǒng)更加緊湊、小巧、靈活。同時(shí)，嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)還有以下優(yōu)點(diǎn)： 嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)具有硬件體積小、模塊化、易擴(kuò)展、易移植、功耗低，軟件實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可定制、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；嵌入式智能機(jī)器人平臺(tái)提供了各個(gè)層次的應(yīng)用開發(fā)接口，使得用戶可以在不同層次上對(duì)機(jī)器人進(jìn)行裁減和擴(kuò)展。智能平臺(tái)提供了機(jī)器人控制系統(tǒng)中常用的各種傳感器模塊、通訊模塊，并有方便直觀的人機(jī)交互界面；人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。嵌入式智能機(jī)器人可以廣泛的應(yīng)用到這些領(lǐng)域，體現(xiàn)出了其廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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