（检测技术与自动化装置专业论文）智能移动机器人控制系统开发与研究.pdf

摘要 摘要 机器人技术作为机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科的典型载体， 被广泛作为我国高校教学和研究的选题之一。本文通过对各项机器人技术的研究 与分析，设计了满足教学实验要求的智能移动机器人系统i c i e ，j 。特别是提出 了以嵌入式系统作为子系统的扩展和控制的构想以及实现方法，解决了机器人在 技术和成本以及普及方面的诸多难点。 本文完成了机器人车体结构、传感系统、运动执行系统、通信系统的功能设 计和模块化实现，以及机器人系统工程的整体设计，特别是提出了以嵌入式系统 作为子系统的扩展和控制构想以及实现方法，并着重介绍了嵌入式控制系统的软 硬件设计。 采用$ 3 c 4 4 8 0 作为嵌入式控制系统的控制器，为控制器配置了外围存储芯片 2 9 l v l 6 0 b e 、h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 b 。使用d a c 0 8 3 2 和o p 0 7 组成数模转换及双极性放 大电路，设计了以r s 2 3 2 为接口的通信系统。本文分析和介绍了嵌入式操作系统 ( e o s ) 的概念，采用u c o s i i 作为嵌入式控制器的操作系统，结合u c o s i i 的 原理以及智能机器人嵌入式控制系统的功能要求，完成了嵌入式控制系统软件的 设计和具体实现方案。最后对嵌入式系统的开发流程作了简单总结。 关键词：机器人嵌入式系统u c o s i i a b s t r a c t a b s t r a c t r o b o tt e c h n o l o g y , t h et y p i c a lc a r r i e ro fm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e rs c i e n c e a n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，h a sb e e nc h o s e na st h et o p i co f r e s e a r c hb ym a n yc o l l e g e s i n t h i sp a p e r , s e v e r a lr o b o tt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d w ed e s i g na n i n t e l l i g e n tm o b i l er o b o ts y s t e mi c i e - j , w h i c hm e e t st h ed e m a n do ft e a c h i n ga n d e x p e r i m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er o b o t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，s e n s o rm o d u l e ，e x e c u t em o d u l ea n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e sf u n c t i o n sa l ed e s i g n e da n dr e a l i z e d t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo f e m b e d d e dc o n t r o lm o d u l ea l ee m p h a s i z e d w ec h o o s es 3 c 4 4 8 0a st h ec o n t r o l l e ro ft h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e ma n d c o n f i g u r e2 9 l v l 6 0 b e ，h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 ba st h em e m o r yc h i p s d a c 0 8 3 2a n do p 0 7 a r e u s e dt oc o m p o s et h ed a ca n dd o u b l e p o l a r i t ya m p l i f i e rc i r c u i t i nt h i sp a p e r , w e a n a l y z et h ec o n c e p t i o no ft h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ( e o s ) a n ds e tu c o s i it ob e t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，w cd e s i g na n dr e a l i z et h es o i b a r a r es y s t e mo f e m b e d d e d c o n t r o ls y s t e mc o n s i d e r i n gt h ep r i n c i p l eo fu c o s - i ic o m b i n i n gt h ed e m a n do ft h e i n t e l l i g e n tm o b i l er o b o t se m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m f i n a l l yt h ed e v e l o p m e n tf l o wo f e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e ns u m m a r i z e d k e y w o r d ：r o b o t e m b e d d e ds y e s t e mu c o s - i i 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：臼盛日期丝堕垒! 旦笪旦 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 鱼彦 社 日期至塑! 生! 璺! ! 璺 日期至竺丑! ! 堑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 机器人是具备一些与人类行为相似特征的智能工具或机器。它有以下三个基 本特点：一是具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过感知系统可以获取 各种不同的外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。二是具有思考能力，即 加工处理信息的功能。机器人通过大脑系统进行思考，其思考过程就是对各种信 息进行加工、处理、决策的过程。三是具有行为功能，即输出信息的功能。机器 人通过执行系统来完成工作，如行走、发声等。因此，任何一台机器，只要它能 智能控制自己的行为、并对环境做出反应，则无论是什么形状的都可以被称之为 机器人。 机器人的发展有很长的历史，早在三国时代，诸葛亮造的“木牛流马”就是 古代机器人的一种雏形。机器人( r o b o t ) 一词来源于1 9 2 0 年捷克作家卡雷尔查 培克所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动 的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。 2 0 世纪6 0 年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器 人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。 目前所说的机器人大多指工业机器人。1 9 6 2 年，第一台工业机器人u n i m a t e 在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。第一代机器人，主 要指只能以“示教再现”方式工作的机器人。示教内容为机器人操作机构的 空间轨迹、作业条件、作业顺序等。第二代机器人具有一定的感觉装置，能获取 作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人做出一定的推 理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。第三代机器人是指具有高度适应 性的机器人，它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维和判断决策，在作业 环境中独立行动。 我国对机器人技术的研究从上世纪7 0 年代末期起步以来，经过“六五”、“七 五”、“八五”期i 日j 的发展，在机器人理论、样机设计、研制及机器人应用工程等 方面取得了一大批成果。许多研制项目被列入“8 6 3 计划”和“火炬计划”。国家 “七五”重点工程的“机器人示范工程”已由中科院沈阳自动化所完成，并逐步 成为我国机器人研究、丌发、人才培训、机器人性能测试和国内外机器人交流的 基地，他们己经研制出各种型号的水下机器人、工业机器人通用控制器、移动式 机器人等。8 0 年代在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下 2 智能移动机器人控制系统开发与研究 无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人的应用研究。上世纪9 0 年代中 期，国家选择以焊接机器人的自主行走实时避障的研究工程应用为重点进行开发 研究。另外我国的高等院校也在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科 技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、燕山大学等在步行机器人、精密装 配机器人、7 自由度机器人及并联机器人等前沿领域取得了可喜的成绩，正在逐步 缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距i ”。 机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，自上世纪印年代初问世以 来，历经4 0 余年的发展已取得长足进步。随着人工智能、无线网络、声音及图形 识辨技术、视觉传感和触觉传感技术的不断发展，新一代机器人将日益多元化和 智能化，变得更加“自立”与互动。走向成熟的工业机器人、实用化的各种特种 机器人，昭示着机器人技术灿烂的明天。 1 2 教学机器人 1 2 1 教学机器人研究、开发的意义 在实验教学中引入机器人是一个尝试。虽然教学机器人在精密性和实用性等 方面与工业用机器人有一定差距，但是它依然融入了机械、电子、计算机、机器 人学和人工智能等诸多领域的先进技术。它可以作为学生从理论到实践的一个过 渡，使学生在感性上对机器人有一个整体的认识，更为重要的是可以培养学生的 综合能力。学生通过在真正的机器人模型上进行实验，不仅可以从中具体接触到 诸多领域的知识和技术，而且能在实际的操作及完成各种应用项目的过程中增强 对于实际问题的观察能力和解决能力，培养动手和相互协作等能力。在机器人平 台上进行的实验，会极大的激发学生的学习兴趣，增强了学生主动思考的意识， 从而达到培养创新思维的目的。实际应用中的机器人价格昂贵，难以在教学中普 及。作为教学实验，需要开发适合高等院校教学实验用途的机器人。 1 2 2 教学机器人的发展状况 目前，国内己有部分高校研制开发出了较为成型的机器人教学研究设备，例 如哈尔滨工业大学，清华大学等。另外还有许多高校也正投入到相关产品的研发 工作中，相信不久会有更多相应的产品问世。下面简要介绍几所高校对教学机器 人研制开发的情况。 1 上海理工大学以日本安川公司所生产的y a s k a w am 0 2 t o m a nu p 一6 工业 机器人为研究对象，在v i s u a lc + + 6 0 平台上，利用o p e n g l 对机器人实体建模， 第一章绪论3 创建了机械手三维图形模型，实现了机器人空间运动的仿真过程和机器人教学的 示教仿真功能【2 】。 2 天津理工学院自行设计的一套教学机器人实验装置，整个实验系统包括：机 器人机械本体、示教盒、单片机控制盒、主控计算机和电源盒。这套实验装置实 现了动作控制和示教再现控制功甜引。 3 清华大学以进口的mo ，i d m a n s v 3 x 小型工业机器人和国产的数控运动平 台为基础，构建了开式链机构实验台，并规划和设计了一些基于发现式教学方法 的实验，为学生发挥自己的创造力和想象力提供了一个开放的实验平台【4 】。 4 上海交通大学机器人研究所自行研制的e d u r o b o t 6 8 0 i i 关节型教学机器 人被全国十几所大专院校所采纳。e d u r o b o t 6 8 0 i i 关节型教学机器人由机械本 体和控制系统两大部分组成。机械本体部分主要由5 个转轴及一个开关手爪组成。 控制系统主要分两部分：运动控制器和主控制计算机。运动控制器与机器人本体 合为一体，置于机器人本体的底座内，主计算机和运动控制器采用并行通讯连接。 运动控制器主要由工控机及其外围电路、步进电机驱动器构成，提供标准的点到 点( p 1 甲) 控制方式，并支持主计算机进行连续轨迹( c p ) 控制。主计算机为普通配置 的p c 即可驯。 近年来，机器人作为机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科的典型 载体，被广泛作为我国高校教学和研究的选题之一，机器人赛事也方兴未艾。为 了适应我国素质教育改革的潮流和创造型人才的培养需求，培养出来既有创造性 思维又有较强的动手能力的学生。为了加速推进全面素质教育改革进程，为了激 发在校学生学习和动手实践的积极性，我们提出了智能移动机器人的开发和研究 的论文课题。通过这种可以看得见摸得着的机器人模型，让学生了解整个系统的 开发流程，并学习自己动手设计、组装和编程调试，把理论知识转化为实践经验， 提高学生学习的主动性以及思考问题的能力，为他们以后进一步的学习以及踏上 社会打下比较扎实的基础。 1 3 论文主要研究工作和章节安排 1 3 1 论文的主要工作 本文对国内外机器人技术与发展现状作了分析介绍，对教学机器人的研究背 景和意义做了阐述。通过对各项机器人技术的研究与分析，从机器人的整体功能、 控制设备的可扩展性和实验环境的开放性出发，设计了满足教学实验要求的智能 移动机器人系统i c i e - j 。特别是提出了以嵌入式系统作为子系统的扩展和控制 4 智能移动机器人控制系统开发与研究 构想以及实现方法，以及以笔记本电脑+ 嵌入式系统的机器人总体结构框架，从系 统的功能和实现等方面作了充分的论证和分析。完成了车体结构、传感系统、执 行系统、通信系统的功能设计和模块化实现，以及机器人系统工程的整体设计。 采用$ 3 c 4 4 8 0 作为嵌入式控制系统的控制器，为控制器配置了系统外围存储 芯片2 9 l v l 6 0 b e 、h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 b 。使用d a c 0 8 3 2 和o p 0 7 组成数模转换及双极 性放大电路，设计以r s 2 3 2 为接1 2 1 的机器人通信系统。本文分析了嵌入式操作系 统( e o s ) 的概念，采用u c o s - 作为嵌入式控制器的操作系统，结合u c o s h 的原理以及智能机器人嵌入式控制系统的功能要求，完成了嵌入式控制系统软件 的设计和具体实现方案。最后对嵌入式系统的开发流程作了简单总结。 1 3 2 论文的章节安排 第一章，介绍了机器人相关背景知识以及教学机器人的发展情况和本课题的 意义。 第二章，讨论了智能机器人的主要组成部分和主要的研究课题，根据要求明 确了论文工作的目标。介绍了一种比较成熟的教学机器人系统a s r f ，对整体架 构、硬件结构以及软件系统进行了介绍。最后结合我们的要求和多方设计方案， 提出了一套笔记本电脑+ 嵌入式的智能机器人控制系统方案。 第三章，系统介绍了i c i e - j 型智能移动机器人的硬件结构设计。首先介绍了 整个机器人小车的机械结构设计，然后对i c i e - j 的视觉系统设计做了介绍，包括 视觉系统的传输原理，编程控制方案以及具体传感器各项参数。接下来本章对嵌 入式控制系统的设计作了详细的分析，包括嵌入式系统的结构、嵌入式处理器的 选择、处理器外围器件的配置等。最后设计了运动控制器数模转换及双极性放大 电路，以及机器人的通信系统。 第四章，介绍了嵌入式控制系统部分软件系统的设计工作。主要分析了嵌入 式操系统( e o s ) 的特点及应用领域、介绍了u c o s i i 及其移植过程，重点分析 和论述了u c o s i i 操作系统的运行原理，以及结合嵌入式操作系统的特点和优势， 对嵌入式控制系统控制程序的设计。通过对操作系统、底层操作命令以及机器人 智能化要求的分析，设计了一套嵌入式软件系统，在硬件设备的支持下，完成机 器人的智能活动。 第五章，结合作者的嵌入式开发经验，论述了嵌入式系统的开发流程，以及 一般嵌入式系统的启动方式。 最后一章对全文的工作做了总结，并展望了下一步的研究工作。 第一章智能移动机器人控制系统实现方案论证 5 第二章智能移动机器人控制系统实现方案论证 2 1 智能移动机器人的主要研究内容 智能移动机器人必须拥有精确的感知能力、可靠的定位系统、能胜任的运动 系统和与人一起安全又友好的工作的能力。因此，移动机器人需要满足三个智能 指标：适应性、自主性、和交互性【6 】。适应性是指移动机器人具有适应复杂工作环 境的能力，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和执行任务的能力， 并做出正确的判断及操作：自主性是指移动机器人能根据工作、任务和周围环境 情况，确定工作步骤和工作方式；交互性是指机器人智能产生的基础，交互包括 机器人与环境、机器人与人及机器人之问三种，主要涉及信息的获取、处理和理 解等。针对上述智能指标，移动机器人主要包括以下几方面的研究内容： 一、定位与导航 定位是移动机器人内研究中的一个重要问题。作为移动机器人导航的最基本 环节，定位是确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位置与姿态。定位方法 根据机器人内工作环境的复杂性、配备传感器的种类和数量等不同而有多种方法。 根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，移动机 器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号 的路标导航、基于视觉导航以及基于传感器导航等i ”。 二、路径规划 路径规划是在一个存在障碍物的环境中，为移动机器人寻找一条无碰撞路径。 对于自由运动的机器人，路径规划问题可以通过在自由位移空间内计算一条路径 加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应【8 】。 三、智能技术 智能技术是用机器来模拟人的外在认识和思想行为的技术总称。对于移动机 器人来说，智能技术是基于传感的智能和自动规划技术，包括知识理解、推测、 感觉、认识、推理、归纳、推断、计划、反应、学习和问题求解等，涉及的领域 包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获取、学习、智能 运动。目前，对于智能技术的研究，主要分为两大类：问接进化和直接进化。前 者主要以符号的人工智能为代表；后者以计算智能技术为代表，包括神经网络技 术，模糊技术，进化计算( 遗传算法、进化策略、进化规划等) 和基于个体的复杂系 统的研究p j 。 四、运动控制 6智能移动机器人控制系统开发与研究 运动控制是研究自主移动机器人技术较为活跃的课题之一。自主移动机器人 按照存储在其内部的地图信息，或根据外部环境所提供的引导信号( 即通过对环境 的实时探测所获得的信息) 规划出一条路径后，它还必须能够沿着该路径在没有人 工干预的情况下，采用跟踪控制和避障技术移动到预定目标点，实现机器人的导 航【1 0 l 。 五、多传感器系统与信息融合 移动机器人技术中多传感器信息融合技术是一项内容广泛的技术，涉及传感 器、信号处理、机器人学、控制理论、系统分析、概率统计、计算机科学、仿生 学等很多方面的知识；同时，也是一项用途广泛的技术。多传感器信息融合的常 用方法有：加权平均、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、d - s 证据推理、 神经网络和模糊推理以及带置信因子的产生式规则【1 1 j 。 移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是 移动机器人感知、决策和动作的三大要素之一。传感系统的硬件组成单元式传感 器，其功能是为机器人提供诸如视觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可 以感知机器人本身的工作状态和位置。 目前，移动机器人常采用的传感器有视觉传感器、超声传感器、里程计、激 光雷达、红外传感器、微波雷达、陀螺仪、电子罗盘、速度或加速度计、触觉或 接近传感器等【1 2 1 。 1 视觉传感器吲 视觉传感器是将景物的光信号转换成电信号的器件，目前常用的是c c d 摄像 机，它是由时钟脉冲电位来产生和控制半导体势能的变化，以实现存储和传递电 荷信息的固态电子器件。c c d 摄像机是以c c d 为核心部件的数字传感器，是现代 最为理想的仿生可见光传感器，虽然严格来说它比生物视网膜的功能还相差较远， 但其图像质量足以与生物视觉传感器相当。因此，人们在自主移动机器人研究之 初，首先想到了将它作为主要环境传感器。 2 超声传感器1 1 4 1 超声传感器具有测距精度高、价格低及处理速度快等优点，因此在移动机器 人上得到了广泛应用。在工作时，超声波发射器在发射超声波的时候，通过超声 波换能器，将电能转换超声波，并将其按一定频率发射出去；而在接收到回波的 时候，超声波接收器则将超声振动传换成相应的电信号。 3 光电编码器1 1 5 j 作为机器人位移传感器，光电编码器应用最为广泛。光电编码器输出表示位 移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光 和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏 元件接受的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲， 第一二章智能移动机器人控制系统实现方案论证 7 码盘上有相应标志，每转一圈输出一个脉冲。根据监测原理，编码器可分为光学 式、磁式、感应式和电容式。根据器可读方法及信号输出形式，分为增量式编码 器和绝对式编码器。 4 红外传感器 红外线是一种只有少数生物才能感觉到的光波，其波长为l n m 1 0 0 0 r i m 且具 有定向传播和反射能力。移动机器人上的红外传感器探测原理为：红外传感器发 出红外信号并检测返回的信号，通过返回信号的强度并依据环境物体的反射系数 估计传感器本身到目标物体的距离。红外传感器的探测特性与超声传感器恰好相 反，即角度分辨率高，而距离分辨率低。当然，它同样具有灵敏度高，反应速度 快，结构简单，成本低等优点，其缺点是探测距离依赖于物体反射的光强度。 2 2 一种基于p c 的机器人系统介绍 一种较为成功的教学机器人方案为上海广茂达伙伴机器人有限公司生产的 a s r f 机器人【1 6 l 。a s r f 采用模块化的结构，分为动力、控制、传感三个模块。 机器人底箱为动力系统，装有电机、驱动器和电池。两个独立的驱动器驱动 直流电机来驱动履带和驱动轮。机器人的转弯主要是通过两个电机的差速转动来 实现，而a s r f 的调速通过脉宽调制束实现。驱动电机的功率为7 0 w ，齿轮箱减 速比为3 3 ：1 ，采用2 0 0 0 线的光电编码器束测速。 中箱为控制系统，即计算机机箱。为长八边形。机箱内主板水平放置，a t x 电源放在主板后，硬盘架空放在主板上方。 项箱为传感系统，呈圆盘形。顶箱侧面圆周间隔3 0 度开了1 2 个圆孔和方孔， 方孔与圆孔| 日j 隔1 5 度。a s r f 型机器人现有的传感系统包括检测距离的声纳传感 器和p s d 红外传感器；视觉方面采用的是c c d 摄像机。目前，在正方圆孔和左右 相邻两个圆孔共安装了5 个超声传感器，相邻超声传感器间隔处的方孔安装了4 个红外传感器，每个超声传感器之间的夹角是3 0 度；摄像头安装在顶箱面板上。 同时，项箱面板上还安装有无线网卡和液晶显示器。 a s r f 型机器人采用基于p c 架构的设计思路，其运算核心是工控机。工控机 采用通用处理器和主板，其内部结构是封闭的，但是有丰富的扩展接口，如u s b 、 r s 2 3 2 、p c i 等。除了g p s 和电子罗盘等设备外，其它设备，如摄像头、超声传感 器、p s d 传感器、动力控制等设备的驱动全部使用p c i 图像采集卡、p c i 高精度 a d 卡、p c i 运动控制卡束完成。工控机的操作系统平台是w i n d o w sx p ，应用界 面和控制系统开发环境是m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 。 通过对a s r f 型机器人结构功能的分析，a s r f 型机器人有以下几个优点： 1 处理能力强，可扩展性好。采用i n t e lp 4 处理器，2 5 6 m 内存，有很强的运 8 智能移动机器人控制系统开发与研究 算能力，采用p c i 总线、r s 2 3 2 串口、u s b 总线扩展。适用于大多数外围设备。 2 ，编程方便，使用一种编程工具就可以对所有设备进行控制。在w i n d o w s 下 采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为编程环境，通过驱动程序及a p i 函数对设备进行 控制。 a s r f 型机器入的不足之处如下： 首先，由于对机器人的扩展仅限于各种板卡及标准总线接口的使用，所以对 它的开发只限于岛层应用程序的开发，难以涉及底层电路；其次，由于工控机的 结构因素，a s r f 型机器人的体积过于庞大，使用和操作需要强有力的能源保障， 在一些场合是不方便的：a s r f 型机器人的操作环境w i n d o w sx p 操作系统缺乏稳 定性和开放性。 2 3 本方案分析 经过反复论证，设计了一套笔记本电脑+ 嵌入式的移动机器人智能控制方案。 该方案结合了p c 的开放编程界面优势以及嵌入式高集成度、高稳定性、低功耗的 特点，满足了教学机器人的要求。 2 3 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术、控制技术、微电子技术和通信 技术为基础，软件可裁减，对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机 系统。它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器( 控制器) 、存储器及外围器 件和1 0 接口等。软件部分包括要求具有支持多任务操作的嵌入式操作系统( e o s l 和应用程序。其中嵌入式微处理器和嵌入式操作系统是嵌入式系统的关键部分。 嵌入式系统通常是面向特定应用的。在硬件上，使用专用的嵌入式c p u ，具 有体积小、莺荤轻、成本低、可靠性高等特点。在软件上需要一个支持多任务的 嵌入式操作系统内核来支持。并且要求其代码体积小、效率高，响应速度快，能 够处理异步并发事件和具有实时处理能力等。 嵌入式系统有以下重要特征： ( 1 ) 嵌入式操作系统内核较小 与通用操作系统相比，嵌入式操作系统内核要小得多。如e n e a 公司的o s e 分靠式系统，内核只有5k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 佗) 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进 行系统的移植，需要根据系统硬件的变化和增减进行修改。同时针对不同的任务， 第二章智能移动机器人控制系统实现方案论证 9 往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。 ( 3 ) 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，没有特别要求时一般 不会有冗余，这样有利于控制系统成本和实现系统安全。 ( 4 ) 实时性 软件代码要求高质量和高可靠性，一般都有实时性要求。一般软件要求固化 存储，以提高速度和上电就能运行。 ， ( 5 ) 中高端嵌入式系统开发要借助于嵌入式操作系统。 嵌入式系统应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为了合理地 调度多任务，利用系统资源、系统函数，对复杂的有实时性要求的任务，用户只 有采用r t o s 开发平台，才能保证系统的实时性和可靠性。 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也不 能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境| 能进行开发，这些 工具和环境一般是基于p c 机上的软、硬件以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器 等。开发时往往有宿主机和目标机，宿主机用于程序的开发，目标机作为最后的 执行机，开发时需交替进行。宿主机与目标机可以相同也可以不相同，如果是在 不同机型的丌发平台上丌发又称作交叉式开发。 2 3 2 笔记本电脑+ 嵌入式方案分析 采用笔记本电脑作为机器人的上层控制器。笔记本电脑作为机器人的上层控 制器有以下优势： 1 处理能力强。主频达到1 7 m h z ，1 g 内存。 2 开发环境统一。在w i n d o w s 环境下可用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为整个 系统的统一开发环境，便于开展实验。 3 电力续航能力比较强。笔记本电脑自带高容量锂电池，提供大约1 5 小时 的持续使用时间。 4 具有标准接口。笔记本电脑具有串口、u s b 口等标准接口，便于与外界 通信、扩展。 5 笔记本电脑有较好的完整性和高集成度，这在开发过程中带来了很多方 便。 结合笔记本电脑的以上优势以及嵌入式系统的特点，设计了以机器视觉为主 传感器的智能移动机器人i c i e j 1 ，功能结构如图2 1 。 智能移动机器人控制系统开发与研究 图2 1i c i e 4 功能结构图 i c i e 4 1 由以下几个部分构成： 1 视觉传感模块。由c c d 摄像头和u s b 图像采集盒组成。主要完成视觉 图像的采集。 2 运动控制模块。由嵌入式控制器及其外围电路构成，负责与笔记本电脑 进行通信，并控制运动执行机构。 3 运动执行机构。由车体、电机、伺服放大器、编码器、减速齿轮等构成。 完成机器人运动执行功能。 4 笔记本电脑。它是机器人的大脑，负责图像处理、智能运算、运动控制 等任务。 2 4 本章小结 本章首先讨论了智能机器人的主要组成和主要的研究课题，根掘要求明确了 论文工作的目标，即设计一套具有视觉能力、自主导航、自主移动的智能机器人 系统。在此框架下，机器人的智能算法实际具有一定的开放性，便于开展实验。 介绍了一种比较成熟的教学机器人系统a s r f ，对整体架构、硬件结构以及 软件系统进行了介绍，客观分析了其优缺点，对我们的设计起到了启发和借鉴的 作用。 结合我们的要求和多方设计方案，提出了一套笔记本电脑+ 嵌入式的智能机器 人控制系统方案。其传感系统、执行系统、通信系统的设计满足了要求，不仅能 完成各项功能，而且兼顾了开放性的编程条件。 第三章智能移动机器人硬”系统设计 1 1 第三章智能移动机器人硬件系统设计 3 1 车体结构及参数分析 轮式移动机构根据轮数的多少可以分为一轮、两轮、三轮、四轮、六轮以及 多轮移动机构。 一轮移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题尚未解决，目前已经有人致 力于直立控制的研究。 两轮移动机构，如摩托车和自行车等对象，因为直立稳定性问题差而未进入 实用阶段。 三轮移动机构基本上具有直立稳定性，其主要的问题是移动方向的控制。代 表性的车轮控制方法是一个| j 轮，两个后轮。前轮操舵，采用前轮或后轮驱动均 可。也可以采用两后轮同时驱动，靠两轮的转速差进行操舵的控制方式，此时另 外一个轮子只起到支撑作用，采用这种轮式移动机构的时候，可以使两个驱动轮 朝向不同方向转动，从而可以使车体实现灵活的小范围回转。 四轮移动机构是一种应用广泛的结构，这种移动结构适合于高速行走，稳定 性好。代表性的控制方法为两个后轮为驱动轮，两个i j 轮为万向轮，起支撑和导 向的作用。如何使操舵性能进一步提高，是目前研究的重要课题之一。 根据使用目的，还有使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车，也有人提出 利用具有柔性机构车辆的方案。最典型的六轮机构是火星探测车，它的轮子可以 根据地形上下调整高度，提高其稳定性，适合在外星表面行走。 i c i e 儿采用四轮移动结构。采取两个后轮独立驱动的方式，机器人可以获得 最大限度的灵活性。这种移动机构由独立驱动的两个后轮和两个前辅助轮组成， 辅助轮仅起到支撑车体的作用。 轮式机器人的两个主动轮分别由两台直流伺服电动机驱动，每台电机与各自 驱动的主动轮构成速度闭环，在额定工作载荷的范围内，控制电压即可调节两驱 动电机的转速，从而实现移动机器人的运动方向和运动速度的控制。 小车车身主体为4 8 c m 4 8 c m 2 6 c m 立方体。为合金铝材料，由方形薄板及 立体框架组成。薄板可拆卸，可打空装配，便于扩展和组装。箱内底部后方两侧 设置动力装置。箱底前方两侧设胃两个力j 向轮作为支撑轮。车身距离地面高 1 3 0 c m ，车轮直径1 2 0 c m ，车轮宽2 0 c m 。 智能移动机器人控制系统开发与研究 3 2 视觉传感器 视觉是人类最重要的感觉之一，是人的最复杂和最有用的感觉输入信息。人 眼能感觉颜色，因为它具有全色能力。人眼能感觉运动，因为视网膜能提供事物 实际的响应。如同人一样，如果给机器人装上了视觉传感器，也极大的提高了机 器人获得外部世界信息的能力。 机器人视觉信息主要是指彩色c c d 摄像机信息，在有些系统中还包括三维激 光雷达采集的信息。视觉信息能否正确、实时地处理直接关系到机器人行驶速度、 路径跟踪以及对障碍物的避碰，对系统实时性和鲁棒性具有决定的作用。视觉信 息的处理技术是移动机器人研究中关键的技术之一。目前视觉信息处理的内容主 要包括：视觉信息的压缩和滤波、道路监测和障碍物检测、特定交通道路标志的 识别、三维信息感知与处理。 机器人视觉的研究目标是使机器人具有通过二维图像认知三维环境信息的能 力。这种能力将不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、 位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。根据这些信 息可以实现机器人的自定位和导航，还可以同时建立环境的地图。 i c i e j 1 机器人的视觉系统的视觉传感器由云台摄像头、图像采集盒组成。如 图3 1 ，摄像头通过c c d 传感器将光学信号转换成p a l 制式的模拟信号，再经由 图像采集盒将鼢山制式模拟信号转换成y u v 4 2 2 数字信号通过u s b 2 0 接口传入 p c 内存中。 c c d 摄像头 笔记本电脑 图3 1i c i e - j 视觉系统 光学传感器采用s o n y 公司e v i d 1 0 0 p 云台c c d 摄像头，如图3 2 。 第二章智能移动机器人硬什系统设计 图3 2e v i d 1 0 0 p 表3 1 是e v i d 1 0 0 p 各项功能及参数【1 7 1 。 表3 1 视频信号 p a l 图像传感器1 4t y p es u p e rh a dc c d t m 像素 7 5 2 ( h ) 5 8 2 ( v ) 水平解像度 4 6 0 t vl i n e s ( w i d ee n d ) 镜头1 0 倍光学变焦，4 0 倍数字变焦，f - - 3 1 - 3 1 ，f 1 8 2 9 警 水平视场角6 6 - 6 5 度 最短摄像距离 1 0 0 m m ( 近端) ，6 0 0 m m ( 远端) 晟低照度 0 5 i x ( f 1 4 1 白动曝光自动手动a e 优先，曝光补偿，背光补偿 电f 快| 】1 3 1 1 0 0 0 0 0 s 白平衡 自动、宽动态、手动、单键、3 2 0 0 k ，5 8 0 0 k 效果镜像、存储中的静i p 图像、彩色图像、正负反转、黑自图像、增强对 比度、m o s a i c 图像、垂直伸展、水平伸展、静i l 图像中的可移动图像持 续静i r 煳像、在限定的静i t 图像中移动图像、移动物体的摄像延迟 信噪比大于5 0 d b 旋转“顷斜 水1 z _ + 1 0 0 d e g r e e s ( m a x 速度3 0 0 d e g r e e s s ) 。 i 茸- + 2 5 d e g r e e s ( m a x 速度1 2 5 d e g r e e s s ) ( 0 0 7 d e g r e e s 误差) 视频输出 v b s ，y c 电源要求 d c l 0 8 1 3 o v 电源损耗 m a x 1 3 2 w ( 1 2 v d c ) t 作温度 0 i 0 。c ( 3 2 - 4 0 。n 放置温度 一2 0 6 0 0 c ( 一4 1 4 0 。n 尺寸 1 1 3 ( w ) x 1 2 0 ( h ) x 1 3 2 ( d ) m m ( 4 1 2 x 4 3 4 x 5 3 4i n c h e s 、 重晕 8 6 0 9 0l b1 4o z ) u s b 图像采集盒采用维视公司的m v - u s b 2 8 2 0 。m v - u 2 8 2 0 是便携的外挂式 u s b 彩色黑白图像采集盒，它通过u s b 2 0 总线和主机连接。 1 4 智能移动机器人控制系统开发与研究 m v - u 2 0 0 0 将彩色视频a d 转换并解码形成y u v 4 2 2 数字信号，数字信号经 缓存，通过u s b 接v 1 控制器，送到主机内存或经主机做y u v 到r g b 的转换后送 到显存。 模拟图像数据由摄像头采集后，经视频编码芯片处理，转化成数字图像，传 给可编程逻辑器件f p g a ；f p g a 接收到数字图像数据后，送r a m 缓存，然后从 r a m 中取出数据，传给u s b2 0 控制芯片，该芯片利用u s b2 0 接口将数据最终 传给计算机实时显示并存储。 技术特点与指标： 1 、接收标准的视频信号，彩色和黑白图像采集； 2 、图象显示采集分辩率：7 6 8 x 5 7 6 ，可以无级缩放； 3 、实现多路视频信号的实时切换扫描、同时采集处理； 4 、采样位数：黑白方式9 b i t ，彩色方式r g b l 5 、1 6 、2 4 和3 2 b i t ； 5 、水平解像度：可达电视线4 8 0 以上； 6 、输入视频为标准p a l 、n t s c 制信号； 7 、亮度、对比度、饱和度软件可调； 8 、具有开窗功能，缩小功能； 9 、采集和传送的图像数据格式：彩色：y u v 4 2 2 、r g b 8 8 8 、r g b 8 8 8 8 。黑白： g r a y 8 ： 1 0 、u s b 2 0 时的图像传速度：至内存：2 5 帧( y u v 4 2 2 ) ；至显存：2 5 帧 ( r g b 8 8 8 ) 。 3 3 运动执行机构设计 运动执行机构是机器人的腿和脚，负责机器人的移动功能。在运动控制器的 作用下执行前进、转弯、后退等动作。运动执行机构由直流伺服放大器、直流电 机、数字编码器和减速齿轮及车轮组成。 电机是机器人驱动系统的地执行元件，在一般的机器人系统中，常采用步进 电机或直流伺服电机。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载 的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机经常用在开环控制系统中。它能提供较大的低速转矩，一般可达5 倍于相当尺寸的直流伺服电动机的连续转矩，2 倍于无刷电动机的转矩，这有可能 第三章智能移动机器人硬什系统设计 不需要减速箱，而直接构成驱动系统【1 8 1 。 直流伺服电机由定子、转子、电刷与换向片组成。它通过激励直流电机转子 上的载流导体，在定子磁场中受到电磁转矩m 的作用，使电机转子旋转。直流伺 服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级 调速。本系统中选择直流伺服电机作为驱动电机。图3 3 是机器人运动执行机构结 构的框图。 图3 3 运动执行机构框图 3 4 嵌入式处理器 目的嵌入式处理器芯片种类繁多，如何选择一款芯片来设计开发和调试硬件 平台是一个主要问题。与p c 领域不同，在嵌入式市场中，没有一个公司可以主导 嵌入式市场。以3 2 位c p u 为例，就有1 0 0 多种处理器。因为嵌入式系统设计的 差别性极大，这也就是造成处理器种类繁多的原因。选择处理器不仅要考虑芯片 的硬件资源是否满足需要，还要考虑芯片的运行速度、动耗、专业化水平等方面。 根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类1 1 9 j ： 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面一般都作了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可 1 6 智能移动机器人控制系统开发与研究 靠性高的优点，但在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件， 从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器机器存储器、总 线、外设等安装在一块电路板上，成为单板计算机。近年来，德国、日本的一些 公司又开发出了类似“火柴盒”设名片大小的嵌入式计算机系列o e m 产品。嵌入 式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 2 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u )