智能移動機器人嵌入式控制系統開發與設計方法研究

龍飛虎，董振鵬，王子琦

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

移動機器人的研究最早出現在國外，而近些年來，我國科學家投入了大量的精力，用于研究智能移動機器人，智能移動機器人的出現顯示了人類發展的快速，機器人具有智能控制與導航的能力，這主要是依賴于它的嵌入式控制系統，該系統可以對移動機器人進行結構設計，并且以嵌入式控制體系為基礎，完成各部件的裝配工作，本文通過實驗的方式對嵌入式控制系統進行研究，并對智能機器人進行了整體的測試，結果表明機器人可以穩定的運行，反映了嵌入式控制系統的穩定性與可靠性。

1 智能移動機器人嵌入式控制系統開發

1.1 系統結構布局

移動機器人通常是設計為三輪差動轉向式，主要的結構是從動輪是前輪，能夠支撐起整個的機器人，但是并不產生驅動力矩，機器人可以任意的轉動，驅動輪是后面兩個輪，這兩個輪是固定的不能夠轉向，后面兩個輪子是獨立的電機驅動，這三個輪均勻分布在三角形的三個角上，這樣的分布方式能夠讓車輪自由的轉動，也能夠更好保持車體的穩定。移動機器人是依靠攝像頭和傳感器來進行感知的，它的前端有視覺攝像頭，左右也各有一對傳感器，而在它的車體尾部還裝有無線通信設備[1]。

1.2 系統硬件設計

智能移動機器人的控制系統設計，主要是采用嵌入式控制器作為核心，其中包括電機驅動、感知顯示，無線遙控、電源轉換等，系統采用的控制方式為集中式，控制器控制著整個的系統決策與視覺方面的工作，這是整個系統的核心部分，就相當于人的大腦一樣，能夠幫助機器人實現大量的計算工作。這些模塊各自的功能不同：1.PC/104嵌入式控制器是VSX-6154計算機，它兼容多個操作系統，包括Windows的多個系統以及DOS、Linux等，有的是三個接口，有的是兩個USB接口，它的主要特點就是重量輕、體積小，應用于機器人的控制系統開發十分適合。擴展電路是為了彌補控制器并口不足的問題而出現的，該電路可以實現語音識別、超聲檢測等方面的內容，還能夠與控制器相連接。而感知模塊就是對語音、超聲波、激發等進行檢測，通常采用CCD攝像機進行圖像的采集，然后再將采集到的數據送到控制器進行處理，超聲波傳感器能夠實現對移動機器人的避障與處理功能，有發送與接收電路兩個部分，語音識別功能就是對特定人的聲音進行識別，并且進行語音的合成，它采用了語音識別芯片，能夠形成低成本語音識別電路，將語音處理之后可以識別出12個不同的字詞，還可以將不聯系的詞聯系起來，具有很強的編程性，使用方法也比較簡單，無線網通信模塊能夠實現機器人與PC機的遠程通訊，用戶可以從計算機上隨時查看機器人的運行情況，以及運動的信息，對機器人的狀態了如指掌，為了降低成本也可以采用串行的方式實現計算機與移動機器人的通信，遠程計算機是給予Windows平臺，將一些串口設備映射成為虛擬的串口，原本的軟件不需要做出任何的修改，也能夠和本地串口一樣，用于設備的配置，診斷等。無線遙控模塊是為了更好的實現機器人智能化而設計的，它包括了兩個部分的內容，分別是車體無線接收模塊和發射模塊，無線接收模塊利用貼片技術，接收芯片采用高精度的接收頻點，電路性能十分穩定，工作起來也不會受到干擾，發射模塊與接收模塊的工作頻率是相對應的，能夠利用調頻的方式進行調制，通常發射的功率是20mW，PT2262編碼芯片的兼容性更強一些，為了讓移動機器人的點動功能實現，可以暫存信號，這樣在應用的時候更方便[2]。

1.3 控制系統軟件設計

1.3.1 控制主程序系統

機器人學的發展給人類帶來了巨大的幫助，機器人能夠代替人類完成一些重復性的、重體力的勞動，讓人們從繁重的工作中解放出來，讓人們的智力也能夠獲得解放，機器人承載著人類理解和學習的重任，人們已經不僅僅將機器人看作是一種工具，而是希望他們能夠朝著更加智能化的方向前進，讓他們也能夠像人類一樣擁有自我提升、自主學習的能力，成為人們在宇宙中的伙伴，對于此類問題很多科學家都投入了大量的精力，所以在我們身邊的很多行業也都利用了計算機技術，對于機器人的控制方法也越來越多[3]。機器人軟件系統結構包括了四個層次，最頂層的就是管理協調層，這一層的智能水平比較高，操作人員可以通過無線遙控操作與語音識別對整個機器人進行控制，信息處理層是移動機器人的主控計算機來負責，根據具體的任務來對感知模塊進行信息反饋，從而形成具體的作業指令，運動控制層主要對機器人的電機控制進行實現，由中央處理器完成對控制命令的發送，然后電機驅動器接收到命令再完成控制運動，這樣就完成了操作人員的工作，如圖1所示。

圖1 智能移動機器人控制原理

1.3.2 感知模塊設計

在整個系統的最底層是感知反饋層，可以與環境進行直接的交互，從而能夠獲取環境信息，與自身的狀態信息，從遠程計算機和PC/104嵌入式模塊來看，可以分為兩個系統，分別是上位機系統和下位機系統，上位機系統是利用Windows作為操作系統，然后將VC++作為開發環境的遠程計算機，主要負責對命令的傳送，讓移動機器人能夠按照規劃好的路線來運動，從而實現機器人的運行，作為客戶也能夠及時的看到機器人的運行情況，下位機采用面向對象的模塊化理念來開發軟件系統，首先是對系統的初始化，通過無線串口接收命令和數據，然后進行語音的識別，輸入輸出狀態等處理[4]。

1.3.3 超聲波測距設計

利用接收超聲波發送的時間不同，能夠計算出機器人與障礙物之間的距離，這種任務是對時間要求比較高的，要保證實時性的特點，如果對電機模塊發脈沖和超聲波接收發控制，那么可以利用中斷方式完成，這是屬于后臺運行的程序，而一些輸入輸出的任務就是對前臺程序的控制，前臺程序運行命令完成之后再獲得下一數據與任務，從而完成工作。可以說，嵌入式的控制系統對智能移動機器人有著一定的作用，而智能移動機器人本身就具有體積小、實時性強的特點，并且提供了各個層次的開發接口，用戶可以在不同層次上對機器人進行擴展，人機交互界面也就更加方便直觀化，這樣的方式更能夠滿足移動機器人對控制系統的具體要求，從而達到最好的效果[5]。

1.3.4 工作總結及目標

通過研究智能移動機器人控制系統自身的優缺點，找出問題及時的解決，在系統設計和試驗的過程中，也發現了一些問題，將這些出現的問題進行科學分析，能夠加深在這方面的研究，對以后的工作也有重要的參考價值。在智能移動機器人開發過程中，主要的部分就是機器人設計主體，安裝裝配車體，開發控制系統，對系統中一些人機交互的模塊和感知模塊進行共同的設計與開發，通過利用超聲波的方式對軟件與硬件進行調試，完成硬件視覺上的構建，再加上無線遙控與通信的設計功能，為以后的研究奠定了基礎，可以看出，在選擇硬件的時候我們盡量選取高性能的器件，包括電機、驅動器等，在軟件設計方面也要重點的突出優勢，讓軟件設計更加的模塊化，呈現出獨立性的特點，電機驅動器主要采用的是美國專用的電腦控制芯片，它是根據用戶的要求不同將控制功能設計出來，選用最好的零件組成最小的控制系統，從而實現精度高、功能強大的特點。無線網絡設備通過設置網絡地址就能夠與其他設備進行聯結，傳輸的速度也是比較快的，這樣的方式能夠滿足大數據的傳輸，實時性也得到了明顯的提高。人機交互模塊有著一定的優越性，但是也有很多的不足，比如它只能夠傳輸指令式的數據，不能夠進行視頻數據傳輸，這樣就給人們的工作帶來不便。在未來的工作中，還需要更多的完善工作，主要包括：（1）進一步完善機器人控制系統的實現，實現各功能模塊的結合，在硬件設計上充分考慮機器人功能的擴展性，由于嵌入式中央處理器的處理速度比較慢，所以應該再選擇更好的嵌入式主板。（2）對于圖像處理方面也要加強，利用好的算法來實現圖像處理功能，超聲波軟硬件也要進行優化，可以說未來在朝著智能前進，如何利用好這一優勢需要每一個研究者努力[6]。

2 結語

綜上所述，對智能移動機器人嵌入式控制系統開發與設計方法進行分析，由此可以看出，在未來的工作中人們會更偏向于智能化，因為這樣能夠帶給人們便利。但是由于人們對該方面的內容了解的還是不夠全面，因此還需要更深層次的研究，在硬件方面盡可能的選擇高性能的器件，有了硬件的支持，在軟件設計上也就有了一定的優勢，相信未來我國在智能機器人開發方面會取得更大的進步。