智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的改造升級(jí)

文/裴曙光

（鹽城幼兒師范高等專(zhuān)科學(xué)校 江蘇省鹽城市 224005）

得益于我國(guó)人工智能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，在軍事、農(nóng)業(yè)、海洋開(kāi)發(fā)以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都涉及到對(duì)智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，作為常用智能機(jī)器人類(lèi)型之一，智能移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、作業(yè)效率與質(zhì)量的提升。但是隨著機(jī)器人智能化需求的日漸提升，傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人不再滿(mǎn)足于現(xiàn)代化智能生產(chǎn)作業(yè)的開(kāi)展，需要借助對(duì)控制技術(shù)的改造升級(jí)來(lái)提升移動(dòng)機(jī)器人的智能性與科技性。也正因此，進(jìn)行控制技術(shù)升級(jí)改造的深入研究，對(duì)于推動(dòng)智能機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 智能移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ)控制系統(tǒng)

作為現(xiàn)階段常用智能機(jī)器人類(lèi)型，移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ)控制系統(tǒng)功能包括：

（1）穩(wěn)定系統(tǒng)，主要功能為保持移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行期間的穩(wěn)定性與安全性；

（2）機(jī)械系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置安全且簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)期間避免出現(xiàn)沖撞現(xiàn)象，降低機(jī)器人損壞幾率；

（3）控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)具備高效、穩(wěn)定特點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)器人性能的發(fā)揮受到控制系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度、響應(yīng)速度的直接影響；

（4）電源系統(tǒng)，通過(guò)為智能移動(dòng)機(jī)器人設(shè)置可靠、體積小、密度高的電池，可提升機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性，保證機(jī)器人在各種任務(wù)中高效運(yùn)行；

（5）定位系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)重要組成，定位系統(tǒng)精準(zhǔn)性會(huì)直接影響到機(jī)器人位置識(shí)別確定的精準(zhǔn)性；

（6）執(zhí)行系統(tǒng)，完善且科學(xué)的執(zhí)行系統(tǒng)可保證機(jī)器人能始終保持對(duì)指令的高效執(zhí)行；

（7）環(huán)境感知系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置環(huán)境感知系統(tǒng)，可幫助機(jī)器人快速識(shí)別周?chē)h(huán)境，并以此依據(jù)制定科學(xué)應(yīng)對(duì)措施，確保機(jī)器人可以在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行；

（8）組裝系統(tǒng)，組裝系統(tǒng)是否簡(jiǎn)單便捷，會(huì)直接影響到操控者使用便捷性；

（9）儲(chǔ)電系統(tǒng)，儲(chǔ)電系統(tǒng)是保障機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵所在，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間與儲(chǔ)電容量之間存在直接關(guān)聯(lián)；

（10）電路穩(wěn)定系統(tǒng)，通過(guò)合理配置穩(wěn)定系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免因自身電路問(wèn)題而影響到運(yùn)行效果；

（11）穩(wěn)定控制系統(tǒng)。通過(guò)為機(jī)器人安設(shè)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)操控者在任何情況下進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的控制，避免出現(xiàn)失控等意外[1]；

（12）信息處理系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)核心組成，信息處理系統(tǒng)如機(jī)器人的“大腦”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有信息的匯總、分析以及處理，并起到控制、指揮整體系統(tǒng)的作用。

2 控制方式的分析與選擇

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)控制的研究，當(dāng)前常用控制芯片包括：

2.1 電機(jī)集成芯片

現(xiàn)階段常用專(zhuān)用集成芯片包括UCC3626、MC33039，芯片不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且響應(yīng)速度較快，該芯片的應(yīng)用成本較低，在系統(tǒng)集成方面表現(xiàn)優(yōu)異。另外，在過(guò)流保護(hù)、位置檢測(cè)等方面，該芯片可以發(fā)揮出重要作用。但是需注意，專(zhuān)用集成芯片的應(yīng)用無(wú)法進(jìn)行二次升級(jí)，并且芯片內(nèi)部需要對(duì)相關(guān)軟件二次固化，缺乏靈活性[2]。

2.2 單片機(jī)

針對(duì)移動(dòng)智能機(jī)器人的研發(fā)，需要具備以下特點(diǎn)：

（1）應(yīng)控制移動(dòng)機(jī)器人的體型，確保在相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)中機(jī)器人可以靈活運(yùn)行；

（2）機(jī)器人的開(kāi)關(guān)可以受到電機(jī)的靈活控制；

（3）移動(dòng)機(jī)器人控制需具備較高精準(zhǔn)度。若移動(dòng)機(jī)器人芯片選用單片機(jī)，因單片機(jī)在信息處理方面能力較差，并且單片機(jī)不會(huì)進(jìn)行電機(jī)控制外設(shè)裝置的設(shè)置，所以無(wú)法達(dá)到移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)關(guān)靈活控制的要求[3]。并且單片機(jī)的應(yīng)用需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備的拓展設(shè)置，使得機(jī)器人制造時(shí)體型增大。

2.3 DSP芯片

DSP芯片的應(yīng)用，相較于上述兩種芯片，具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）升級(jí)后的芯片結(jié)構(gòu)比以往總線(xiàn)結(jié)構(gòu)更為優(yōu)異，因?yàn)樯?jí)后結(jié)構(gòu)會(huì)分成軟件空間、存儲(chǔ)空間兩部分，在運(yùn)行期間，這兩部分同時(shí)運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行時(shí)間的縮短，大幅度提升運(yùn)算速率，進(jìn)而達(dá)到工作效率提升的目的；

（2）該芯片應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)累加器、乘法器工作模式的升級(jí)與改進(jìn)，所以會(huì)顯著提升機(jī)器人的運(yùn)算速度；

（3）DSP芯片的應(yīng)用，在運(yùn)行期間可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)指令執(zhí)行步驟的自主完成；

（4）相較于單片機(jī)芯片，DSP芯片在集成度方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)性能的最大發(fā)揮[4]。

3 智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)升級(jí)與改造

3.1 基礎(chǔ)控制技術(shù)升級(jí)

基于行為控制方法為反應(yīng)式系統(tǒng)的升級(jí)，具體包括純粹反應(yīng)式與極端慎思型。針對(duì)反應(yīng)式系統(tǒng)而言，是指機(jī)器人無(wú)法做出思維活動(dòng)，僅能依托于命令進(jìn)行肢體動(dòng)作的體現(xiàn)[5]。而基于行為控制方法則是反應(yīng)式系統(tǒng)的全新升級(jí)，大量學(xué)者對(duì)基于行為方法開(kāi)展深入研究分析，并得出以下結(jié)論：Maja Mataric等人認(rèn)為基于行為方法機(jī)器人可以起到銜接工程與人工智能的紐帶作用，而基于行為方法則是智能機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要理論與方法，是構(gòu)成智能體的主要模式。通過(guò)為機(jī)器人進(jìn)行框架設(shè)定，以期借助設(shè)計(jì)約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操控問(wèn)題的解決。另外，基于行為方法涉及到生物性靈感的應(yīng)用，即借助生物性靈感為機(jī)器人劃定可允許空間內(nèi)的自由。Maja Mataric認(rèn)為控制智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要依托于基于行為方法論，并以生物性靈感為依據(jù)，進(jìn)行仿生機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在提升機(jī)器人智能性的同時(shí)，幫助人們對(duì)生物性結(jié)構(gòu)認(rèn)知的加深。

分析現(xiàn)階段移動(dòng)機(jī)器人制造，大部分機(jī)器人僅能對(duì)預(yù)先設(shè)定動(dòng)作的完成，在自由行、自主性方面設(shè)計(jì)仍有待提升，具體運(yùn)行期間也只能按照預(yù)先設(shè)定來(lái)完成指定工作。若機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生環(huán)境變化，那么預(yù)先設(shè)定與實(shí)際環(huán)境之間的契合性會(huì)下降，因?yàn)轭A(yù)先設(shè)定雖可以囊括部分突發(fā)情況，但是無(wú)法做到涵蓋所有方面，所以在運(yùn)行期間若外部環(huán)境發(fā)生超出預(yù)先設(shè)定，機(jī)器人無(wú)法做出適當(dāng)且合理的反應(yīng)[6]。所以，需要注重對(duì)基于行為控制方法應(yīng)用，通過(guò)對(duì)以往反應(yīng)式系統(tǒng)升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述問(wèn)題現(xiàn)象的避免，確保機(jī)器人的運(yùn)行可以與各種環(huán)境有效契合，提升移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性與高效性。

3.2 主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用

作為當(dāng)前熱門(mén)研究，主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)目前在機(jī)器視覺(jué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面有一定應(yīng)用。所謂主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)，是指該技術(shù)可以主動(dòng)視覺(jué)周?chē)h(huán)境，具有較強(qiáng)反應(yīng)與感知能力。而在移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)改造升級(jí)中融入主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)器人周?chē)h(huán)境分析能力，對(duì)姿態(tài)、光感、位置、成像光學(xué)條件進(jìn)行準(zhǔn)確分辨，進(jìn)而達(dá)到提升機(jī)器人反應(yīng)能力的目的，依據(jù)對(duì)當(dāng)前情況的分析有效調(diào)整自身狀態(tài)，確保機(jī)器人對(duì)相應(yīng)任務(wù)的準(zhǔn)確完成[7]。針對(duì)主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用，可構(gòu)建完善圖像采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)整狀態(tài)、自主應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。以計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量增大、圖像技術(shù)提升、運(yùn)算速度提升為依據(jù)，利用導(dǎo)航來(lái)控制視覺(jué)信息，而導(dǎo)航系統(tǒng)主要作用體現(xiàn)為周?chē)h(huán)境的檢測(cè)，繼而依托于導(dǎo)航系統(tǒng)完成路況檢測(cè)、路標(biāo)識(shí)別等任務(wù)。依托于主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的改造與升級(jí)，促使機(jī)器人依據(jù)對(duì)周?chē)畔⒌娜嬲莆?，合理?jì)算與調(diào)整方向與速度，最終準(zhǔn)確完成任務(wù)。

3.3 超聲波測(cè)速

超聲波作為機(jī)械震蕩的一種，具有彈性介質(zhì)特點(diǎn)，傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，具備縱向分辨率高，以及對(duì)色彩、外界光線(xiàn)以及電磁場(chǎng)不敏感的特點(diǎn)，在煙霧、灰塵、毒霧、黑暗的環(huán)境仍可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)有效測(cè)試，因其傳播廣泛、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)被應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)改造中[8]。針對(duì)該技術(shù)具體應(yīng)用，通過(guò)控制其進(jìn)行方波信號(hào)功率的放大，借助轉(zhuǎn)能器在空氣中進(jìn)行超聲波的輸出，此時(shí)若機(jī)器人前方出現(xiàn)障礙物，超聲波會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，進(jìn)而被機(jī)器人換能器接收，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物距離的測(cè)算。障礙物距離的測(cè)算方法，主要是依據(jù)對(duì)渡越時(shí)間法的應(yīng)用，進(jìn)一步提升移動(dòng)機(jī)器人測(cè)距的精準(zhǔn)性。

3.4 PLC技術(shù)

移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)升級(jí)與改造中進(jìn)行PLC技術(shù)的升級(jí)，可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有效性。針對(duì)PLC技術(shù)的具體應(yīng)用，具備靈活性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的主要目的為進(jìn)行繼電器的替代，并對(duì)相應(yīng)功能進(jìn)行強(qiáng)化，具體體現(xiàn)為：

（1）運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人位置、加速度、速度的控制，依據(jù)對(duì)相關(guān)程序的編寫(xiě)，讓移動(dòng)機(jī)器人做出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)以及角度變化運(yùn)動(dòng)等，具體運(yùn)動(dòng)控制形式為伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，也就是開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制[9]。此外，PLC技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的統(tǒng)一控制。

（2）信息控制?？蓮?qiáng)化移動(dòng)機(jī)器人信息數(shù)據(jù)采集、變換、檢索、存儲(chǔ)以及處理等。與此同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)對(duì)PLC技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息控制的強(qiáng)化，采集、分析以及處理機(jī)器人內(nèi)部、外部各個(gè)參數(shù)，具體包括定位數(shù)據(jù)、角度、位移以及速度數(shù)據(jù)等，依托于數(shù)據(jù)的采集與處理，在控制端顯示屏中顯示機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

（3）遠(yuǎn)程控制。是指對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)的部分內(nèi)容進(jìn)行控制與檢測(cè)，PLC技術(shù)的應(yīng)用，可拓展移動(dòng)機(jī)器人通訊接口，提升機(jī)器人通訊、聯(lián)網(wǎng)能力，可顯著提升機(jī)器人遠(yuǎn)程控制效果。例如運(yùn)行期間機(jī)器人傳感器、執(zhí)行裝置可與PLC進(jìn)行設(shè)備網(wǎng)的構(gòu)建，或者是進(jìn)行相互操作與數(shù)據(jù)交換。再或者進(jìn)行遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)聯(lián)接，進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程控制范圍。

4 智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)發(fā)展方向

4.1 統(tǒng)一化的指導(dǎo)理論

依據(jù)對(duì)現(xiàn)階段智能移動(dòng)機(jī)器人指導(dǎo)理論現(xiàn)狀的分析，未來(lái)其控制技術(shù)的升級(jí)與改造的指導(dǎo)理論必然會(huì)發(fā)展成一致性的方向，不僅是在指導(dǎo)理論方面的一致和統(tǒng)一，更是對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵性控制基礎(chǔ)、通用技術(shù)的普及，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器研發(fā)、制造成本，為機(jī)器人智能化、自動(dòng)化發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

4.2 明確的研究目標(biāo)

移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的研究，具有多方向、多元化的特點(diǎn)，而在未來(lái)控制技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，雖研發(fā)方向仍會(huì)以多元、多方向?yàn)橹?，但是其研究目?biāo)會(huì)更為細(xì)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)專(zhuān)用性、專(zhuān)業(yè)性的提升。此外，智能化控制技術(shù)的研究需要充分考慮到實(shí)用性、普及性等因素，確保其智能化控制技術(shù)的研究可以被廣泛應(yīng)用于智能機(jī)器人領(lǐng)域[10]。

4.3 科技創(chuàng)新

科技創(chuàng)新是智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)研究領(lǐng)域不斷發(fā)展的主要支撐，而在國(guó)家不斷鼓勵(lì)與支持下，我國(guó)科技創(chuàng)新勢(shì)必會(huì)呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展態(tài)勢(shì)，這為智能控制技術(shù)的研究起到重要推動(dòng)作用，為智能移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的不斷升級(jí)與改造打下良好基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，作為智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)重要組成，控制系統(tǒng)為機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行重要保障。隨著智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用范圍、領(lǐng)域的不斷加大，對(duì)機(jī)器人控制要求不斷提升，需要通過(guò)對(duì)控制技術(shù)的科學(xué)改造與升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人控制性能與水平的大幅度提升。鑒于此，需依據(jù)機(jī)器人崗位職能、環(huán)境、行業(yè)等因素的分析，加大對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)改進(jìn)與升級(jí)的研究力度，通過(guò)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)完成質(zhì)量與效率的提升，確保機(jī)器人智能化、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化運(yùn)行滿(mǎn)足實(shí)際需求。