嵌入式智能機器人平臺研究

趙洋?褚琦

摘要：隨著人工智能技術的發展，機器人應用于眾多領域，人工智能對于機器人領域的重要性不言而喻，尤其在對理解自然語言、機器學習、人工神經網絡、機器視覺和智能調度和智慧的研究中，使機器人在越來越多的領域中得到廣泛的應用。本文重點就嵌入式智能機器人平臺做了探討和分析。

關鍵詞：嵌入式；智能機器人；人工智能

人工智能是指研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支，它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器。目前能夠用來研究人工智能的主要物質手段以及能夠實現人工智能技術的機器就是計算機，人工智能的發展歷史是和計算機科學與技術的發展史聯系在一起的。人工智能理論進入21世紀，正醞釀著新的突破，人工智能的研究成果將能夠創造出更多更高級的智能“制品”——機器人，并使之在越來越多的領域超越人類智能，人工智能將為發展國民經濟和改善人類生活做出更大貢獻。

一、嵌入式系統的簡介

嵌入系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可剪裁，適應于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它主要由嵌入微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用軟件等部分組成。用于實現對其它設備的控制、監視和管理等功能，它通常嵌入在主要設備中運行。一個最小的嵌入式系統的基本組成為： 一個用作引導的可用設施（工具）；一個具備內存管理，進程管理和定時器服務的LINUX微內核； 一個初始進程；硬件的驅動程序； 一個或幾個應用進程以提供必要的應用功效。 嵌入式系統與普通的PC系統相比主要具有以下特點： 嵌入式系統功耗低，體積小，專用性強。嵌入式CPU工作在為特定用戶群設計的系統中，能夠把PC中許多板卡完成的任務集成到芯片內部，有利于嵌入式系統設計的小型化。嵌入式系統中的軟件一般固化在存儲芯片或單片機本身中，以提高實行速度與系統可靠性。硬軟件都必須高效設計，系統要精簡，對軟件代碼質量要求很高。操作系統一般和軟件集成在一起。嵌入式系統開發需要專門的開發工具和開發環境。

二、系統軟件設計

機器人軟件系統體系結構可分為管理協調層、信息處理層、運動控制層和感知反饋層。最頂層是管理協調層，具有最高的智能水平，由操作人員通過無線遙控操作和語音識別等負責對整個機器人的管理與控制；信息處理層由移動機器人的主控計算機擔任，根據作業任務指示以及感知模塊的反饋信息，進行運動規劃形成具體的作業指令；運動控制層負責完成機器人的電機控制與運動執行，由 CPU 發送運動控制命令給電機驅動器，完成對步進電機控制運動，從而完成操作人員所賦予的任務；感知反饋層位于系統的最底層，用于與環境的直接交互，其功能是獲取環境信息和機器人自身狀態信息。微軟的嵌入式操作系統WinCE。NET可以很好地滿足嵌入式智能機器人平臺的開發，它提供了優秀的應用開發環境以及系統定制工具，使得整個嵌入式智能機器人平臺更加緊湊實時性更強。這里采用Embedded Visual C++作為平臺的開發工具，采用面向對象的模塊化軟件開發思想設計開發軟件系統。按照這種設計思想，可以將整個系統的各個模塊獨立地劃分出來。

三、系統硬件設計

硬件主要由嵌入式微處理器板和驅動控制器構成，包括控制處理，電機驅動、感知顯示、無線通訊、電源轉換等模塊。系統采用集中式控制方式，嵌入式主板負責整個系統的控制決策、視覺處理、運動規劃以及總體控制等，是機器人的控制中心，承擔機器人運動的大量實時計算工作。它的性能將直接影響機器人的實時性能，它是整個機器人的控制中心。各功能模塊介紹如下： 控制模塊是智能平臺的控制中心，負責與其它各個子系統進行數據通訊，因此選用了一款性能較高，具有豐富接口的嵌入式計算機主板。這款主板支持的CPU主頻為1.0GHz，高度集成了聲卡、顯卡和網絡等功能。主板設備采用PCI技術，具有良好的計算性能，非常適合于機器人。 感知模塊主要包括視覺系統、語音交互、激光檢測等。視覺系統采用2個USB攝像頭，由計算機通過串口發送控制命令到云臺，控制其俯仰角和側擺角。利用雙目視覺系統可以實現自主機器人的自定位和目標檢測與跟蹤等；人機交互的嵌入式語音識別與合成系統，可以實現對特定命令集的識別。用戶可以直接通過語音向機器人發送控制命令，完成諸如前進、后退、找球等基本動作，同時還可以完成避障、射門等需要環境信息的復雜動作。同時機器人可以通過語音合成系統完成自我介紹以及和用戶對話等功能，這在導游和娛樂機器人領域將有很大的應用空間。 顯示模塊完成LCD觸摸屏與PC嵌入式模塊連接，實現顯示功能和人機交互功能。 無線網通信模塊實現機器人與PC機的遠程通訊。網絡通訊系統采用Client/Server的結構體系，創建了WinCE。NET操作系統下的網絡通訊模塊，同時可以實現機器人與遠程PC機進行通訊。用戶可以在遠程監控PC上觀看機器人的當前運動信息，對機器人的運動進行監控，同時可以對機器人進行遠程控制，避免機器人出現意外事故。

四、結束語

嵌入式智能機器人平臺的開發使得我們常見的自主式機器人不再局限于PC機模式，使得系統更加緊湊、小巧、靈活。同時，嵌入式智能機器人平臺還有以下優點： 嵌入式智能機器人平臺具有硬件體積小、模塊化、易擴展、易移植、功耗低，軟件實時性強、可定制、可靠性高等優點；嵌入式智能機器人平臺提供了各個層次的應用開發接口，使得用戶可以在不同層次上對機器人進行裁減和擴展。智能平臺提供了機器人控制系統中常用的各種傳感器模塊、通訊模塊，并有方便直觀的人機交互界面；人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。嵌入式智能機器人可以廣泛的應用到這些領域，體現出了其廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1] 方正華. 嵌入式智能機器人平臺研究 [J].機器人，2016.

[2]韓軍龍.嵌入式智能移動機器人控制系統的開發 [J].機械設計，2015.