嵌入式系统在智能机器人中的应用

嵌入式系统在智能机器人中的应用嵌入式系统在智能机器人中的应用 吉祥利吉祥利 中南大学信息科学与工程学院电子信息工程中南大学信息科学与工程学院电子信息工程 湖南湖南 长沙长沙 410075410075 摘 要 abstract 简要介绍嵌入式系统的概念 技术特点 重点阐述嵌入式系 统在机器人控制中的应用 以嵌入式智能足球机器人为例 利用模块化和可扩展的思想设计 和分析了硬件系统和软件系统 嵌入式智能机器人平台具有硬件体积小 模块化 易扩展 功耗低 软件实时性强 可定制 可靠性高等优点 其具有广泛的应用前景 关键词 key words 嵌入式系统 智能机器人 Windows CE NET 人机交互 1 引言 Introduction 随着科学技术的进步 机器人得到了快速的发展 促进了机器人被广泛的应 用到各行各业中 但目前机器人的智能水平并不高 仍处于初级阶段 智能机器 人研究面临俩个核心问题 一是提高机器的自主性 即希望机器进一步独立于 人 具有更为友善的人一机界面 二是提高机器的适应性 即就机器与环境的关 系而言 希望加强它们之间的交互关系 1 为促进当前智能机器人研究和应用 迫切需要开发 具有开放式结构的 模块化 标准化的嵌入式智能机器人平台 这种智能机器人平台具有硬件体 积小 模块化 易扩展 功耗低 软件实时性强 可定制 可靠性高等优点 可以广泛地应用于自主式移动机器人上 将有着广泛的应用前景 2 2 嵌入式系统简介 Embedded Intelligent Robot introduction 一般来说 嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系 统0 即嵌入到对象体系中的专用计算机系统0 嵌入性0 专用性0与计算机系统0 是嵌入式系统的三个基本要素 它主要完成信号控制的功能 体积小 结构紧凑 可作为一个部件埋藏于所控制的装置中 它提供用户接口 管理有关信息的输入 输出 监控设备工作 使设备及应用系统有较高智能和性价比 嵌入式系统由嵌 入式硬件与嵌入式软件组成 硬件以芯片 模板 组件 控制器形式埋藏于设备 内部 软件是实时多任务操作系统和各种专用软件 一般固化在ROM或闪存中 嵌 入式计算机系统起源于微型机时代 但很快就进入到独立发展的单片机时代 随 后又迅速进入到电子技术领域中 嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两部分 嵌 入式处理器可以分为三类 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入 DSP Digital Signal Proces sor 嵌入式微处理器就是和通用计算机的微处理 器对应的CPU 在应用中 一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上 在母板 上只保留和嵌入式相关的功能即可 这样可以满足嵌入式系统体积小和功耗低的 要求 3 3实例 example 自主式足球机器人 足球机器人是计算机视觉 模式识别 决策对策 自动控制 无线通信 智能体设计与电力传动 多智能体合作等多项技术的结合体 是一个典型的智能 机器人系统 3 3 1系统概述 System description 系统的设计分成硬件系统设计和软件系统设计两个方面 系统的每个部分 的设计坚持模块化和易扩展的思想 使得此机器人平台成为一个实时性高 可 扩展性好 模块化强的智能研究平台 2 3 2 系统硬件设计 system hardware design 硬件主要由嵌入式微处理器板和驱动控制器构成 包括控制处理 电机驱 动 感知显示 无线通讯 电源转换等模块 系统采用集中式控制方式 嵌入式 主板负责整个系统的控制决策 视觉处理 运动规划以及总体控制等 是机器 人的控制中心 承担机器人运动的大量实时计算工作 它的性能将直接影响机 器人的实时性能 它是整个机器人的控制中心 4 各功能模块介绍如下 1 控制模块是智能平台的控制中心 负责与其它各个子系统进行数据通 讯 因此选用了一款性能较高 具有丰富接口的嵌入式计算机主板 这 款主板支持的CPU主频为1 0GHz 高度集成了声卡 显卡和网络等功 能 主板设备采用PCI技术 具有良好的计算性能 非常适合于机器人 2 感知模块主要包括视觉系统 语音交互 激光检测等 视觉系统采用 2个USB摄像头 由计算机通过串口发送控制命令到云台 控制其俯仰角 和侧摆角 利用双目视觉系统可以实现自主机器人的自定位和目标检测 与跟踪等 人机交互的嵌入式语音识别与合成系统 可以实现对特定命 令集的识别 用户可以直接通过语音向机器人发送控制命令 完成诸如 前进 后退 找球等基本动作 同时还可以完成避障 射门等需要环境 信息的复杂动作 同时机器人可以通过语音合成系统完成自我介绍以及 和用户对话等功能 这在导游和娱乐机器人领域将有很大的应用空间 3 显示模块完成LCD触摸屏与PC嵌入式模块连接 实现显示功能和人机 交互功能 4 无线网通信模块实现机器人与PC机的远程通讯 网络通讯系统采用 Client Server的结构体系 创建了WinCE NET操作系统下的网络通讯 模块 同时可以实现机器人与远程PC机进行通讯 用户可以在远程监控 PC上观看机器人的当前运动信息 对机器人的运动进行监控 同时可以 对机器人进行远程控制 避免机器人出现意外事故 2 3 3系统软件设计 System software design 机器人软件系统体系结构可分为管理协调层 信息处理层 运动控制层和 感知反馈层 最顶层是管理协调层 具有最高的智能水平 由操作人员通过无线 遥控操作和语音识别等负责对整个机器人的管理与控制 信息处理层由移动机 器人的主控计算机担任 根据作业任务指示以及感知模块的反馈信息 进行运 动规划形成具体的作业指令 运动控制层负责完成机器人的电机控制与运动执 行 由 CPU 发送运动控制命令给电机驱动器 完成对步进电机控制运动 从而 完成操作人员所赋予的任务 感知反馈层位于系统的最底层 用于与环境的直 接交互 其功能是获取环境信息和机器人自身状态信息 4 微软的嵌人式操作系统WinCE NET可以很好地满足嵌人式智能机器人平台 的开发 它提供了优秀的应用开发环境以及系统定制工具 使得整个嵌人式智 能机器人平台更加紧凑实时性更强 这里采用Embedded Visual C 作为平台的 开发工具 采用面向对象的模块化软件开发思想设计开发软件系统 按照这种设 计思想 可以将整个系统的各个模块独立地划分出来 2 4结论 Conclusion 嵌人式智能机器人平台的开发使得我们常见的自主式机器人不再局限于PC 机模式 使得系统更加紧凑 小巧 灵活 同时 嵌人式智能机器人平台还有 以下优点 1 嵌人式智能机器人平台具有硬件体积小 模块化 易扩展 易移植 功耗 低 软件实时性强 可定制 可靠性高等优点 2 嵌人式智能机器人平台提供了各个层次的应用开发接口 使得用户可以在 不同层次上对机器人进行裁减和扩展 智能平台提供了机器人控制系统中常用 的各种传感器模块 通讯模块 并有方便直观的人机交互界面 人类的活动领域不断扩大 机器人应用也从制造领域向非制造领域发展 像海洋 开发 宇宙探测 采掘 建筑 医疗 农林业 服务 娱乐等行业都提出了自 动化和机器人化的要求 5 嵌入式智能机器人可以广泛的应用到这些领域 体现 出了其广泛的应用前景 参考文献参考文献 References 1 张拔 智能机器人的现状及发展 N 科技导报 1992 6 2 方正 杨华 胡益民 徐心和 嵌入式智能机器人平台研究 J 机器人 2006 1 28 1 54 5