移動機器人自主視覺跟蹤測控技術(shù)研究

摘? 要：本文的研究主要目的是提升移動機器人自主視覺跟蹤控制系統(tǒng)的整體性能，在設(shè)計中采用了高性能微處理器，設(shè)計了嵌入式的控制系統(tǒng)。對機器人的指令系統(tǒng)進行分層遞進的控制設(shè)計，將較為復(fù)雜的信息整合和傳遞一分為二，既能夠有效地處理和接收現(xiàn)階段的信息內(nèi)容，又能夠?qū)⑦@一信息進行數(shù)據(jù)劃分和整合，分別下達(dá)到控制系統(tǒng)和運動系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人運動的路線控制。根據(jù)這一理念設(shè)計的移動機器人具有較強的控制能力，且運動十分靈活，可靠性較高。

關(guān)鍵詞：自主機器人;嵌入式系統(tǒng);環(huán)境感知;行為決策

隨著我國人工智能的高速發(fā)展，對機器設(shè)備的控制系統(tǒng)提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外機器人控制系統(tǒng)經(jīng)常以DSP為控制核心，這種設(shè)計理念下的機器人難以在同一時間完成控制算法和控制機電兩個方面的指令。且微控制處理器在資源處理和數(shù)據(jù)整合方面能力有限，不能夠幫助機器人對周圍環(huán)境進行詳細(xì)的認(rèn)識。在本文的設(shè)計中，利用PIC微控制器作為輔助系統(tǒng)，以高性能的ARM9微處理器為主要系統(tǒng)，能夠提升機器人的自主性和穩(wěn)定性。解決了復(fù)雜算法中數(shù)據(jù)處理失衡的現(xiàn)象，一定程度上提升了機器人工作的準(zhǔn)確性。利用指令分層的設(shè)計形式可有效推進機器人運動的可靠性提升。

一、機器人系統(tǒng)平臺

本文中所研究的機器人由控制系統(tǒng)、傳感器、行走系統(tǒng)、動作系統(tǒng)通訊軟件電源等不同的系統(tǒng)組成，整體的機器人尺寸為800mm×450mm×635mm。機器人行走的主要驅(qū)動裝置為差動驅(qū)動，機器人的動作系統(tǒng)中有懸臂、輪滑、放塊等不同的裝置，利用紅外線通訊進行信息獲取。由于本次設(shè)計機器人的主要目地是完成其自主行走的設(shè)計效果，需要在系統(tǒng)中設(shè)置較為完善的感知組織。利用紅外線傳感器、視覺傳感器等能夠保證機器人在自主行走中獲得較為詳盡的周圍環(huán)境信息，提升機器人的信息處理與判斷能力。機器人的電源系統(tǒng)為24V直流電壓，能夠保證供電的穩(wěn)定以及較大的續(xù)航能力。

二、機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本次設(shè)計中，機器人的整體系統(tǒng)具有以下功能：首先，機器人的自主行走與移動通過輪式設(shè)備完成，并且能夠靈活地進行方向調(diào)整和速度轉(zhuǎn)換。根據(jù)既定的導(dǎo)航位置快速行走到正確的目標(biāo)范圍內(nèi)。其次，機器人具有詳盡的視覺系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確判定系統(tǒng)終端下達(dá)的目標(biāo)指令，根據(jù)周圍的環(huán)境選擇最佳的移動狀態(tài)和動作。然后，機器人能夠?qū)⑿枰獢y帶的物品，準(zhǔn)確地放在既定位置上。最后，在機器人自主行走的過程中，一旦出現(xiàn)碰撞、跌倒、偏航等現(xiàn)象，能夠根據(jù)既定的數(shù)據(jù)庫進行狀態(tài)分析，及時加以修正。

為了將機器人控制系統(tǒng)中決策運動控制兩個功能處于相對平衡的狀態(tài)，設(shè)計中采取了三級控制的策略。將整體的控制環(huán)節(jié)分為組織部分、協(xié)調(diào)部分兩個方向?qū)C器人加以控制，保證各項信息下達(dá)能夠得到準(zhǔn)確的反饋。機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機器人的控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器下發(fā)的相關(guān)信息，會對機器人所處的客觀環(huán)境進行詳細(xì)分析，最后得出最為可行的機器人運動規(guī)劃。協(xié)調(diào)部分根據(jù)組織部分下發(fā)的運動指令，結(jié)合機器人目前的狀況以及運動系統(tǒng)的特點向執(zhí)行部分發(fā)送相關(guān)信息，執(zhí)行部分則根據(jù)信息的內(nèi)容將詳細(xì)的參數(shù)下發(fā)到機器人的運動系統(tǒng)與感知系統(tǒng)中。進而能夠完成機器人的行走、攜帶物品等運動指令。

（二）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件由嵌入式主板、下位機控制器和驅(qū)動控制器構(gòu)成。嵌入式主板能夠提神機器人動作的準(zhǔn)確性和可靠性，與此同時，設(shè)計階段HIA綜合考量了機器人視覺、感官等方面的能力提升，利用ARM9核的微處理器S3C2440。S3C2440集成了CMOS Camera控制器，能夠有效實現(xiàn)機器人感官系統(tǒng)的電路延伸，既能夠保證接口資源的穩(wěn)定和豐富，還能夠提升信息處理系統(tǒng)中的工作頻率，增強機器人的工作質(zhì)量。

協(xié)調(diào)部分對系統(tǒng)的控制硬件由PIC18F452、紅外電路、動作開關(guān)等組成。其中單片機能夠借助紅外線處理器中的信息內(nèi)容加以整合，而后下發(fā)機器人的決策指令，利用PID算法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效控制自動化機器人的位移和動作。PIC18F452可以同時對左右2個走行電機實施速度控制。當(dāng)機器人移動后驟停，會產(chǎn)生瞬間的單溜干擾，需要在組織部分中設(shè)置紅外線通訊方式，避免機器內(nèi)部信號波動對機器人移動控制的影響。

（三）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，包括硬件初始化、傳感信號的采集、預(yù)處理、系統(tǒng)狀態(tài)判斷、機器人自身的運動方向抉擇等。協(xié)調(diào)及軟件包括編碼、信號處理、速度控制等。在這一部分的設(shè)計中，使用了模糊控制的策略，基于PID算法控制機器人內(nèi)部的速度運行驅(qū)動電機。軟件開發(fā)利用嵌入式操作系統(tǒng)完成，能夠確保設(shè)計出的機器人具有良好的實時性和可移植性，既能夠滿足系統(tǒng)的需求，又能夠提升機器人自身的運動、判斷、信息處理能力。

組織系統(tǒng)軟件設(shè)計的外部控制系統(tǒng)有鍵盤、窗口事件等，能夠有效與外界進行交流。障礙判斷、距離判斷、干擾判斷等，能夠幫助機器人感知外界環(huán)境。與此同時，還能夠通過環(huán)境規(guī)范化系統(tǒng)進行機器人的移動躲避障礙等。還有動作決策、紅外線通訊等不同的任務(wù)系統(tǒng)，各個任務(wù)模塊在與外界溝通處理數(shù)據(jù)之后需要將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端進程中，而后進行決策，終端下發(fā)相應(yīng)的運動指令對機器人的運動控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)。利用紅外線通訊系統(tǒng)與組織及進行信息交換和處理。

以上的信息整合和數(shù)據(jù)交換工作均按照OSI分層思想完成，能夠確保機器人控制系統(tǒng)軟件的擴展性。在機器人通信過程中，設(shè)定了握手和重傳機制，能夠避免數(shù)據(jù)傳遞過程中出現(xiàn)失真和丟失等現(xiàn)象?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計的詳細(xì)流程見圖2。

結(jié)論

根據(jù)上文的研究能夠看出，在本次機器人設(shè)計中采用了高性能微處理以及嵌入式操作系統(tǒng)，用于機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了輪式移動機器人嵌入式控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的使用能夠有效節(jié)約建設(shè)成本資源，實現(xiàn)機器人對相對復(fù)雜的外界信息進行感知和處理的能力。借助機器人內(nèi)部的處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)模糊控制的目標(biāo)，使得機器人能夠在日常移動和判斷事物中具備良好的抗干擾能力。誠然，在本文的設(shè)計與研究中還存在一定的弊端和問題，相信在未來一段時間的深化研究中，結(jié)合信息化、技術(shù)化的發(fā)展成果，必然能夠取得機器人設(shè)計領(lǐng)域的良好成績。

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作者簡介：

陳剛（1981.8）陜西長安， 男， 漢，高級工程師，學(xué)士，研究方向：從事電氣控制及自動化、設(shè)備控制，測控技術(shù)、機器人操作