對(duì)模塊化嵌入式人工智能軟件的開(kāi)發(fā)分析

王濤 陳鑫

摘? 要： 模塊化嵌入式人工智能軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，是科技領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度及應(yīng)用便捷性成為各大科技企業(yè)的重要探索方向，本文從智能機(jī)器人控制系統(tǒng)及人工智能開(kāi)發(fā)方向兩方面探討模塊化嵌入式人工智能軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方向，以期為模塊化嵌入式人工智能軟件的開(kāi)發(fā)工作提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞： 模塊化嵌入式;人工智能;智能機(jī)器人

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391. 41? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.033

【Abstract】： Modular embedded software development and application of artificial intelligence， is a important development direction in the field of science and technology， improve the system operation speed and convenience of application become important exploration direction of science and technology enterprises， this article from the intelligent robot control system and the artificial intelligence development direction from two aspects to explore modular embedded software design and development direction of artificial intelligence， in order to modular embedded artificial intelligence software development work to provide the reference and reference.

【Key words】： Modular embedded; Artificial intelligence; Intelligent robot

0? 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的日益發(fā)展，人工智能正在受到廣泛關(guān)注，并且被認(rèn)為是科技發(fā)展的未來(lái)方向，模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)憑借其高性能、多功能及穩(wěn)定性方面等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注，被世界各大知名科技公司作為研發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)，因而探討模塊化嵌入式人工智能軟件的開(kāi)發(fā)是十分有必要的。

1? 模塊化嵌入式智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

嵌入式人工智能系統(tǒng)芯片的三大類(lèi)型包括數(shù)據(jù)中心云端、數(shù)據(jù)終端產(chǎn)品及機(jī)器人、自駕車(chē)等為主的特定產(chǎn)品，因而在探討模塊化嵌入式人工智能軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，也不應(yīng)當(dāng)忽略智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。

1.1? 柔性體系結(jié)構(gòu)

智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模塊，可采用高性能、低功耗的雙核處理芯片，用以實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)性指令解釋及軌跡規(guī)劃，可用于管理數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，該處理芯片具備較為強(qiáng)大的處理能力與計(jì)算能力，可用于進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算及速度控制等，具備較強(qiáng)位置控制能力，可完成I/O控制。其中，以FPGA芯片控制位置，該芯片需具備多軸插補(bǔ)等電路，能夠進(jìn)行程序加載以重構(gòu)其功能。出于提高多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)速度的考量，采用“軟硬結(jié)合”的方式搭建插補(bǔ)算法，其中以數(shù)字脈沖乘法器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)硬插補(bǔ)。該模塊可采用數(shù)字脈沖量接口及智能以太網(wǎng)接口連接驅(qū)動(dòng)器，其中智能以太網(wǎng)接口可實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)器通信協(xié)議的兼容，隨著科技的發(fā)展，通信協(xié)議已經(jīng)可擁有較高的傳輸速度。所采用的雙核處理器芯片，以保證外圍接口的豐富性，滿(mǎn)足以太網(wǎng)等接口的需要，并可借由以太網(wǎng)接口與運(yùn)動(dòng)控制等模塊實(shí)現(xiàn)信息交流。

柔性體系結(jié)構(gòu)包括示教模塊，采用雙核處理器電路、控制按鍵及薄膜晶體管顯示屏共同組成，其中控制按鍵具備編輯控制、手動(dòng)操作控制及示教編程等功能模塊，出于避免功能重構(gòu)與硬件平臺(tái)相互重合的需要，可采用Windows Embedded CE 6.0嵌入式平臺(tái)作為操作系統(tǒng)。示教模塊涵蓋文件管理、示教編程及參數(shù)設(shè)置等軟件功能構(gòu)件。

I/O模塊也是柔性體系結(jié)構(gòu)中的重要模塊，具備邏輯控制功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，采用CAN協(xié)議，利用其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及高通信速率，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離直接傳輸。搭建多主線工作模式，并采用CAN總線實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器及I/O模板之間的數(shù)據(jù)信息通信。

1.2? 智能機(jī)器人控制軟件的重構(gòu)

模塊化嵌入式控制系統(tǒng)下的智能機(jī)器人控制軟件，應(yīng)當(dāng)具備多元性及可裁剪性，能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置，從而保證智能機(jī)器人的應(yīng)用滿(mǎn)足實(shí)際需求，為此，可搭建柔性軟件框架結(jié)構(gòu)，憑借該柔性軟件框架結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性特征，實(shí)現(xiàn)與外部接口的相互操作，并具備自身結(jié)構(gòu)及配置的調(diào)整功能，可很好地適應(yīng)外部環(huán)境[1]。

為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)器人的有效控制，將控制軟件結(jié)構(gòu)流程進(jìn)行前臺(tái)及后臺(tái)程序模塊的設(shè)計(jì)，將后臺(tái)程序模塊作為背景程序，通過(guò)后臺(tái)程序模塊做好準(zhǔn)備工作，并有效管理數(shù)據(jù)信息;前臺(tái)模塊則進(jìn)行程序的有效執(zhí)行。通過(guò)前后臺(tái)模塊的有效配合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制系統(tǒng)的有效控制及管理工作。

模塊化嵌入式控制軟件系統(tǒng)所采用的構(gòu)件化結(jié)構(gòu)，其重點(diǎn)就在于提取構(gòu)件，提煉并概括其中的重點(diǎn)對(duì)象，并對(duì)這些對(duì)象的通信接口進(jìn)行精準(zhǔn)定義，進(jìn)一步分析，使之粒度更小，便于重點(diǎn)應(yīng)用。本文所提出的構(gòu)件庫(kù)，包括用戶(hù)層及核心層兩個(gè)層面，以標(biāo)準(zhǔn)硬件接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息通信。其中的用戶(hù)層涵蓋多種非實(shí)時(shí)構(gòu)件庫(kù)，如人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及參數(shù)管理等，用戶(hù)層所采用的操作系統(tǒng)為Windows Embedded CE 6.0嵌入式平臺(tái)及COM軟件模塊。核心層涵蓋多種實(shí)時(shí)構(gòu)件庫(kù)，包括譯碼處理及速度控制等，可操控機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)。核心層可采用功能函數(shù)的方式加以實(shí)現(xiàn)，以標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行功能構(gòu)件的封裝。

功能構(gòu)件接口可分為標(biāo)準(zhǔn)接口及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)件接口，前者以任務(wù)發(fā)生事件狀態(tài)為端口，采用通用參數(shù)、機(jī)器人關(guān)節(jié)參數(shù)及伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為其公共參數(shù)，設(shè)置構(gòu)建出入口有參數(shù);后者則具有典型性，是典型功能構(gòu)件接口，可實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)與機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

2? 模塊化嵌入式人工智能軟件的開(kāi)發(fā)

在探討模塊化嵌入式人工智能軟件開(kāi)發(fā)方面，本文以中科創(chuàng)達(dá)軟件股份有限公司為例進(jìn)行分析與探討，該企業(yè)主要?jiǎng)?chuàng)建智能終端操作系統(tǒng)，并向市場(chǎng)提供平臺(tái)技術(shù)，旨在搭建完善的智能終端操作系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)，為移動(dòng)終端提供助力，大力開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人及智能汽車(chē)等領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品[2]。

2.1? 模塊化嵌入式人工智能軟件開(kāi)發(fā)的技術(shù)要求

模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于硬件設(shè)備有較高的要求，但同時(shí)也要求軟件系統(tǒng)的高性能，而中科創(chuàng)達(dá)在智能操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面具備較為豐富的經(jīng)驗(yàn)及較為前沿的技術(shù)水平，搭建了邊緣計(jì)算平臺(tái)，向用戶(hù)提供核心、驅(qū)動(dòng)、控制及算法等多層面的解決方案，可有效提升人工智能終端設(shè)備運(yùn)行速度，強(qiáng)化其對(duì)于環(huán)境的實(shí)時(shí)感知能力，促進(jìn)人工智能系統(tǒng)的人際交互，便于對(duì)其進(jìn)行決策控制。

計(jì)算能力是模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)建設(shè)的重要推動(dòng)力，隨著計(jì)算能力的不斷提高，量子計(jì)算正在成為人工智能系統(tǒng)研究與發(fā)展的重要領(lǐng)域與重要方向，并且在人工智能系統(tǒng)領(lǐng)域逐步推廣與逐步發(fā)展，模塊化嵌入式人工智能將以量子計(jì)算作為其技術(shù)支撐的重要基礎(chǔ)。

除此以外，大數(shù)據(jù)技術(shù)同樣作為推動(dòng)模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)搭建并發(fā)展的重要?jiǎng)恿ΑＫ伎浦袊?guó)《全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量預(yù)測(cè)報(bào)告（2015年到2020年）》的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益發(fā)展、海量數(shù)據(jù)信息的不斷累積，以及各種數(shù)據(jù)終端的日益普及，至2020年，全球移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量將達(dá)到55億，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心將增長(zhǎng)至近500家，在用戶(hù)端、醫(yī)療領(lǐng)域、交通系統(tǒng)及工業(yè)制造領(lǐng)域等數(shù)據(jù)終端，會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的數(shù)據(jù)信息，并傳輸至服務(wù)器，可將其作為模塊化嵌入式人工智能技術(shù)的升級(jí)與優(yōu)化的重要支撐。

隨著人工智能研發(fā)領(lǐng)域在深度學(xué)習(xí)方面的不斷突破，模塊化嵌入式人工智能在語(yǔ)音及圖像識(shí)別方面的研發(fā)得以實(shí)現(xiàn)重要突破，語(yǔ)音及圖像識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富，中外科技公司也逐漸涉足以語(yǔ)音識(shí)別為基礎(chǔ)的智能音箱，并在智能音箱中集成Siri、Cortana等各種語(yǔ)音識(shí)別助手，從而使智能音箱具備語(yǔ)音交互、音樂(lè)播放及消息閱讀等功能，甚至智能語(yǔ)音冰箱也出現(xiàn)在智能家居的市場(chǎng)上。

2.2? 嵌入式人工智能軟件開(kāi)發(fā)的技術(shù)方向

（1）智能移動(dòng)終端

模塊化嵌入式人工智能軟件的應(yīng)用方向涵蓋數(shù)據(jù)中心、通信終端及特殊產(chǎn)品，深度學(xué)習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)需利用CPU進(jìn)行圖像處理，隨著CPU處理效率被人詬病，且不同的應(yīng)用方向?qū)τ谇度胧饺斯ぶ悄艿囊蟾饔胁煌虼藞D像處理工具逐漸衍生出嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器、圖形處理器、視覺(jué)處理器等工具，但在嵌入式人工智能軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展中，哪一種圖像處理工具可以成為主流工具尚未可知，但考慮到智能手機(jī)等移動(dòng)終端對(duì)于人工智能芯片的能耗、規(guī)格等方面參數(shù)的要求，智能手機(jī)終端市場(chǎng)對(duì)于模塊化嵌入式人工智能芯片的條件較為苛刻，芯片開(kāi)發(fā)難度較高，成為各大科技巨頭的重要發(fā)展方向[3]。

（2）垂直行業(yè)領(lǐng)域

根據(jù)中科創(chuàng)達(dá)的分析與闡述，嵌入式人工智能在各行各業(yè)的垂直領(lǐng)域發(fā)展中具有較大潛力，具體包括零售行業(yè)、交通領(lǐng)域、制造行業(yè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)等，在市場(chǎng)變化中起到主要驅(qū)動(dòng)作用的因素在于嵌入式人工智能技術(shù)應(yīng)用范圍及應(yīng)用數(shù)量的日益增加，在終端服務(wù)方面也在日益改善，且受到IT設(shè)施、通信終端及智能穿戴設(shè)備的日益普及的影響。

隨著模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)的日益普及，在醫(yī)療保險(xiǎn)行業(yè)中的應(yīng)用也必將呈現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。醫(yī)療保險(xiǎn)行業(yè)發(fā)展中，可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)及嵌入式人工智能以作為精準(zhǔn)診斷及有效改善，可有效平衡醫(yī)療系統(tǒng)的醫(yī)患比例，減少醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)成本的投入，并促進(jìn)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)及其

他行業(yè)之間的相互合作。另外，在醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)中還可在臨床試驗(yàn)、醫(yī)療計(jì)劃、咨詢(xún)服務(wù)及宣傳推廣等方面加以應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，2016年至2022年，嵌入式人工智能軟件系統(tǒng)在醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)行業(yè)的年均復(fù)合增長(zhǎng)值將由6.671億美元增長(zhǎng)至79.88億美元。

（3）取代傳統(tǒng)交互接口

一直以來(lái)，屏幕或鍵盤(pán)都是主要的用戶(hù)互動(dòng)接口，但人工智能時(shí)代的到來(lái)，智能語(yǔ)音及虛擬現(xiàn)實(shí)等系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)生活環(huán)境中的應(yīng)用日益普及，出于進(jìn)一步提高信息交互效率的考量，人們開(kāi)始探索可取代屏幕或鍵盤(pán)的通訊接口，模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)，可通過(guò)語(yǔ)音及圖像識(shí)別等功能，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言處理，并具備機(jī)器學(xué)習(xí)功能，嵌入式人工智能系統(tǒng)可提高技術(shù)應(yīng)用的直觀性與可操作性，屏幕或鍵盤(pán)將被人工智能裝置或系統(tǒng)所取代，用戶(hù)體驗(yàn)可進(jìn)一步提高。模塊化嵌入式人工智能技術(shù)也在技術(shù)接口方面被日益廣泛的得以應(yīng)用，諸如自動(dòng)駕駛汽車(chē)、實(shí)時(shí)翻譯系統(tǒng)等，正是由于模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)通信效率、智能性及簡(jiǎn)單性進(jìn)一步提升。另外，在智能移動(dòng)終端芯片中，也必將以嵌入式人工智能運(yùn)算系統(tǒng)作為運(yùn)算核心[4]。

3? 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行模塊化嵌入式人工智能軟件研發(fā)的過(guò)程中，需要從軟硬件兩方面入手，明確模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)要求及技術(shù)方向，嘗試并探索更加前沿及先進(jìn)的技術(shù)及系統(tǒng)的有效應(yīng)用，以期進(jìn)一步提高模塊化嵌入式人工智能系統(tǒng)的性能，減少能耗，提高系統(tǒng)應(yīng)用的便捷性及智能性。

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