一种智能机器人系统设计和实现

一种智能机器人系统设计和实现

我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的"活物".其实，这个自控"活物"的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了

嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。例如很多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视……

1 智能机器人系统机械平台的搭建

智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。

机器人前部为一四杆机构，使前轮能够在一定范围内调节其高度，主要功能是在机器人前部遇障碍时，前向连杆机构随车轮上抬，而遇到下凹障碍时前车轮先下降着地，以减小震动，提高整机平稳性。在主体的左右两侧，分别配置了平行四边形侧向被动适应机构，该平行四边形机构与主体之间通过铰链与其相连接，是小车行进的主要动力来源。利用两侧平行四边形可任意角度变形的特点，实现自适应各种障碍路面的效果。改变平行四边形机构的角度，可使左右两侧车轮充分与地面接触，使机器人的6个轮子受力尽量均匀，加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整车的平衡性。主体机构主要起到支撑与连接机器人各个部分的作用，同时，整个机器人

的控制系统就安装在主体之中。后部机构与主体刚性连接，配备有电机驱动车轮，主要起支撑作用，并配合前轮实现转向。

2 智能机器人控制系统硬件结构设计

2.1 控制系统总体硬件结构

智能机器人控制系统的硬件系统方案设计如图1所示。远程监控端由台式PC主机通过RS232或网络接口连接无线收发模块，完成图像、语音的收集和显示播放再现，监视现场机器人的周围环境，必要时可以通过无线收发模块发送控制命令，完成控制任务。由于研制的进度，本部分即虚线框内的功能正在开发，是今后研究的重点；现场机器人控制端由核心控制板模块、视频采集模块、语音采集模块、人机交互模块、程序下载模块、电机驱动模块、电源模块、无线收发模块等组成。

2.2 语音视频采集模块

因为机器人需要收集周围环境的信息，监听周围的情况，提供与图像信息同步的语音信息，以便控制人员准确地掌握周围所发生的情况，及时做出决策，所以设计了语音采集模块以完成此项功能。本设计采用了Philips公司的UDA1341TS芯片与微处理器S3C2410相连，提供了完整的语音录制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能够读取IIS总线上的数据，同时也为FIFO数据提供DMA的传输模式，这样能够同时传送和接收数据。在S3C2410处理器中，音频数据的传输可以使用两个DMA通道。如声音播放，先将数据送到内存，然后传到DMA控制器通道2,再通过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片，而通道1则主要用于录音功能。

本系统采用基于CMOS图像传感器直接输出数字信号的方案设计视频采集模块。此方案具有模块简单、外围电路少、直接输出数字信号、不用经过中间转换就可以提供进一步的图像处理的诸多特点。本课题选用C3188A摄像头构成视频采集模块。C3188A是1/3″镜头的彩色数字输出的摄像头模块，摄像头芯片采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620.C3188A摄像头模块采用数字和模拟信号输出接口，并提供8/16的数据总线宽度，通过I2C串行通信协议，可以对OV7620内部的寄存器进行编程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、饱和度、色调和图像输出格式等。

2.3 电机驱动和电源模块

驱动部分是机器人的重要组成部分，它和电机组成机器人的执行机构，完成机器人行走运动。直流电机具有良好的线性调速特性、简单的控制功能、较高的效率、优异的动态特性，被广泛应用在控制系统中。本系统将采用4片

L298N电机驱动芯片驱动8个直流电机，采用PWM调速原理控制直流电机达到控制机器人的速度。

为了消除电机运转对系统核心开发板SBC2410的干扰，从核心开发板的控制引脚输出的信号，经过16路光电耦合器（需4片TLP521-4）进行信号隔离，脉宽调制PWM控制光电耦合器的开关，以达到控制L298N驱动芯片的目的，并驱动电机按照所需的速度运转。

在电源方面，设计的系统电源主要供给核心控制板模块、电机驱动模块、人机交互模块所用的640?鄢480TFT/LCD显示器、视频采集模块、无线收发模块（预留扩展）和语音采集模块。系统最终选用12 V的电瓶供电，可直接给电机驱动芯片和LCD显示器供电。但由于系统模块多，所需电流大，所以在提供12 V转5 V电压时，选择开关电源芯片LM2576作为电压变换核心器件，它能承受最大3 A的电流输出。

3 智能机器人控制系统软件结构设计

机器人控制系统的实时性好坏对于整个机器人系统的性能极其重要，控制系统的实时性越强，机器人处理异常情况的能力越强。由于μC/OS-Ⅱ是一种源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统，所以本设计就采用μC/OS-Ⅱ提供多任务支持，再整合人机界面μC/GUI和底层驱动程序及应用程序等构建机器人软件控制系统，实现对整个机器人的实时控制，完成智能控制任务。