基于Freertos與ARM的智能探索機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

琚子晗， 白賀， 楊喜童

（哈爾濱理工大學，哈爾濱150080）

0 引言

隨著人工智能和計算機技術(shù)的發(fā)展，探索機器人在各個方面都得到了廣泛運用。智能探索機器人可以完成大部分的地形探索，在一些危險地帶、地形崎嶇狹小的地帶，機器人完全可以代替人類完成危險的探索任務(wù)，減少一系列安全問題，提高探索工作的效率。

智能探索機器人可用于對未知環(huán)境的探索和研究，基于SLAM技術(shù)的探索機器人可用于導(dǎo)航和捕獲目標[1]，采用六足仿生機器人制做的全地形智能探索機器人[2]，能滿足基本的探索任務(wù)需求。對于智能移動機器如控制系統(tǒng)的研究，可以基于AVR單片機設(shè)計一個兩輪驅(qū)動移動機器人[3]。環(huán)境建模和自主導(dǎo)航也屬于智能探索機器人研究課題，可以采用激光雷達實現(xiàn)避障，并且采用卡爾曼濾波提高定位精度[4]。針對復(fù)雜地形給機器人帶來的機動性和安全性問題，文獻[5]對全地形移動機器人建模與控制研究做了全面綜述，并分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，特別是近年來所取得的最新成果，指出了目前存在的問題及將來可能的發(fā)展趨勢。Freertos操作系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)使用的開源實時操作系統(tǒng)，可以被用在各種微控制器上[7]，與RISC-V微控制器共同設(shè)計紅外耳溫測量系統(tǒng)[7]，與機電傳感器配合可組成人體輔助機械臂系統(tǒng)[8]，采用了多任務(wù)調(diào)度，并且系統(tǒng)中各關(guān)鍵節(jié)點采用獨立任務(wù)完成。也可用于與ARM芯片控制器組成智能搬運小車[9]，根據(jù)需求也滿足了一定的搬運任務(wù)。

本文系統(tǒng)基于Freertos低延時操作系統(tǒng)和ARM系列處理器，能實時獲取周邊環(huán)境信息，實時反饋數(shù)據(jù)，具備遠程控制功能。采用多任務(wù)調(diào)度機制，并且任務(wù)流程規(guī)范，任務(wù)優(yōu)先級清晰分明。使得機器人系統(tǒng)變得任務(wù)多樣化，降低了多中斷帶來的死機風險，有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用ARM系列的單片機作為核心控制器，結(jié)合樹莓派作為運算設(shè)備獲取視頻數(shù)據(jù)，采用Freertos操作系統(tǒng)進行任務(wù)控制，通過4個單元對機器人系統(tǒng)進行整體控制，完成一系列的探索任務(wù)和需求。

圖1 智能探索機器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

動作單元主要由機械臂構(gòu)成，機械臂由舵機模塊構(gòu)成。傳感器單元由各種傳感器模塊組成，通過不同傳感器可以獲取不同信息。通信單元包括機器人上面各個硬件之間的通信及機器人與上位機終端的通信。底盤單元采用履帶底盤，加上減震機構(gòu)，從而實現(xiàn)全地形的移動，可以廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜地段。視頻數(shù)據(jù)通過樹莓派連接WiFi后內(nèi)網(wǎng)上傳到指定IP地址，上位機終端打開IP地址即刻實時查看視頻數(shù)據(jù)。

在控制過程中，通過串口獲取遙控器控制數(shù)據(jù)，并且將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為底盤單元或者動作單元的控制命令，機器人會根據(jù)命令來完成相應(yīng)動作，同時傳感器任務(wù)會將當前獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過濾波篩出有用信息，通過藍牙串口發(fā)送回上位機，從而完成多樣化的探索任務(wù)。

2 硬件設(shè)計

本文系統(tǒng)采用ARM公司的STM32F427作為核心控制器，基于系統(tǒng)需求設(shè)計了機械臂和履帶底盤。配合一系列外設(shè)傳感器，無線傳輸模塊，完成基礎(chǔ)的機器人探索任務(wù)需求。并且通過機器人端運算設(shè)備可以實時查看視頻數(shù)據(jù)。

2.1 機械臂設(shè)計

機械臂采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)環(huán)境需求組裝不同自由度的機械臂，同時具備一定的伸縮功能，如圖2所示。機械臂的抓取結(jié)構(gòu)為基于絲杠結(jié)構(gòu)的雙手爪，是一個可開合結(jié)構(gòu)，兩機械爪結(jié)構(gòu)間有可伸縮鉆孔裝置，方便在完成探索任務(wù)的同時完成一定量的作業(yè)任務(wù)。

圖2 機械臂三維設(shè)計圖

2.2 履帶底盤設(shè)計

該設(shè)計是基于適應(yīng)全地形的減震底盤（如圖3），包含支架、減震裝置和驅(qū)動裝置，履帶底盤可以廣泛適用于大部分陸地地形。減震裝置采用半扭桿式懸掛系統(tǒng)，通過輪組之間的拉簧，可以調(diào)整履帶傾角，有效減少地面崎嶇帶來的阻力，從而可以較好地越過障礙物。

圖3 履帶底盤減震機構(gòu)

3 軟件設(shè)計

3.1 Freertos系統(tǒng)的優(yōu)點

本系統(tǒng)在Freertos操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行機器人系統(tǒng)開發(fā)。Freertos操作系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)使用的開源實時操作系統(tǒng)，F(xiàn)reertos支持沒有限制的任務(wù)數(shù)量和沒有限制的任務(wù)優(yōu)先級，我們可以任意支配單片機外設(shè)的使用數(shù)量和該外設(shè)的重要程度，方便后期進行執(zhí)行跟蹤和堆棧溢出檢測。在整個機器人系統(tǒng)使用過程中，根據(jù)探索需求分為多個任務(wù)，每個任務(wù)需要設(shè)置一定的優(yōu)先級和堆棧資源，由操作系統(tǒng)來分配每個任務(wù)所需的系統(tǒng)資源，根據(jù)優(yōu)先級進行任務(wù)調(diào)度。

3.2 任務(wù)功能設(shè)計

根據(jù)本系統(tǒng)的基礎(chǔ)探索要求，設(shè)置了6個主要任務(wù)，及2個中斷任務(wù)，數(shù)據(jù)獲取任務(wù)和看門狗任務(wù)，系統(tǒng)總框圖如圖4所示。

在控制過程中，通過串口獲取遙控器控制數(shù)據(jù)，并且將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為底盤單元或者動作單元的控制命令，機器人會根據(jù)命令來完成相應(yīng)動作，同時傳感器任務(wù)會將當前獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過濾波篩出有用信息，通過藍牙串口發(fā)送回上位機，從而完成多樣化的探索任務(wù)。看門狗任務(wù)主要是用于防止系統(tǒng)出現(xiàn)不可預(yù)料的問題而死機，然后自動復(fù)位重置系統(tǒng)。

3.3 任務(wù)優(yōu)先級分配，堆?？臻g分配

在Freertos操作系統(tǒng)中，任務(wù)的堆棧空間是需要事先設(shè)置好的，然后系統(tǒng)統(tǒng)一在單片機資源中申請內(nèi)存，同時系統(tǒng)會根據(jù)任務(wù)設(shè)置的堆棧大小分配棧空間。根據(jù)函數(shù)調(diào)用量的大小、局部變量的多少及數(shù)據(jù)計算量的大小來給機器人系統(tǒng)中6個任務(wù)設(shè)置堆棧空間大小，最終分配情況如表1所示。

圖4 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計圖

表1 Freertos系統(tǒng)任務(wù)堆?？臻g分配及優(yōu)先級分配

系統(tǒng)初始化任務(wù)是所有外設(shè)初始化和任務(wù)初始化必需的任務(wù)，并且為了不讓其受單片機資源干擾，任務(wù)會在臨界區(qū)中進行。并且因為初始化任務(wù)僅僅執(zhí)行一次，在執(zhí)行后需要用vTaskDelete函數(shù)刪除，因此給予最低的優(yōu)先級即可。

4 探索機器人行為功能設(shè)計

4.1 避障功能設(shè)計

根據(jù)被探測環(huán)境設(shè)置一定的障礙距離，放置在車身前方的3個傳感器數(shù)據(jù)可以實時獲取與機器人向前探測到障礙的距離，如圖5所示。通過讀取機器人前身3個傳感器數(shù)值，與在主控中預(yù)設(shè)的障礙距離做比較，如果小于預(yù)設(shè)值就說明前方有障礙，向檢測無障礙方向行駛。如果多個傳感器均小于預(yù)設(shè)值，說明前方堵塞無法前進，持續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器均反饋無障礙為止，再進行探索。

圖5 避障三維模擬圖

核心代碼：

4.2 攝像頭與熱成像實時視頻

采用樹莓派作為機器人視頻數(shù)據(jù)獲取端。攝像頭與熱成像都通過提前寫好的python程序在樹莓派中進行調(diào)控，圖6為樹莓派獲取到的熱成像視頻數(shù)據(jù)，獲取的視頻可以通過vlc進行播放。然后將vlc獲取的流媒體通過WiFi內(nèi)網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)串流，只要上位機終端與樹莓派處于同一WiFi網(wǎng)絡(luò)下，即可通過樹莓派的IP地址實時獲取到樹莓派連接的視頻數(shù)據(jù)。

圖6 熱成像視頻數(shù)據(jù)

4.3 探測數(shù)據(jù)分析與打包發(fā)送

機器人獲取到實時的傳感器數(shù)據(jù)后，會進行一系列的濾波分析后通過藍牙串口來與上位機終端進行數(shù)據(jù)交互，上位機會通過發(fā)送控制值來控制機器人，機器人會將獲取的數(shù)據(jù)進行打包發(fā)送到上位機。數(shù)據(jù)打包遵循一定的格式，具體發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)打包格式規(guī)范

5 結(jié)論

人類對于未知環(huán)境的探索需求日益增長，基于ARM核心處理器和Freertos操作系統(tǒng)設(shè)計了一種智能探索機器人系統(tǒng)，并且設(shè)計了履帶底盤、機械臂等硬件設(shè)備，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計了基本的系統(tǒng)運行任務(wù)。經(jīng)過多次的調(diào)試和測試驗證后，確定了本系統(tǒng)可以滿足一定的探索任務(wù)需求，并且在一定的數(shù)據(jù)干擾下仍然可以做到穩(wěn)定運行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，任務(wù)堆棧不會溢出。本系統(tǒng)可用于各種未知地帶的考察探索，不僅可以在復(fù)雜的野外地形環(huán)境中保持工作，還可以代替人類進入一些危險地帶完成一定的探索任務(wù)，為安全的環(huán)境考察提供了有效的解決辦法。