我們從廣泛意義上理解所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的"活物".其實(shí)，這個(gè)自控"活物"的主要器官并沒有像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動(dòng)機(jī)，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動(dòng)起來。我們稱這種機(jī)器人為自控機(jī)器人，以便使它同前面談到的機(jī)器人區(qū)分開來。它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果，控制論主張這樣的事實(shí)：生命和非生命有目的的行為在很多方面是一致的。正像一個(gè)智能機(jī)器人制造者所說的，機(jī)器人是一種系統(tǒng)的功能描述，這種系統(tǒng)過去只能從生命細(xì)胞生長的結(jié)果中得到，現(xiàn)在它們已經(jīng)成了我們自己能夠制造的東西了

　　嵌入式是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)近年來得到了飛速的發(fā)展，但是嵌入式產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，彼此之間的特點(diǎn)也相當(dāng)明顯。例如很多行業(yè)：手機(jī)、PDA、車載導(dǎo)航、工控、軍工、多媒體終端、網(wǎng)關(guān)、數(shù)字電視……

　　1 智能機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)的搭建

　　智能機(jī)器人需要有一個(gè)無軌道型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺(tái)階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動(dòng)過程中要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機(jī)器人的思考要素是三個(gè)要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動(dòng)。這些智力活動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息處理過程，而計(jì)算機(jī)則是完成這個(gè)處理過程的主要手段。

　　機(jī)器人前部為一四桿機(jī)構(gòu)，使前輪能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其高度，主要功能是在機(jī)器人前部遇障礙時(shí)，前向連桿機(jī)構(gòu)隨車輪上抬，而遇到下凹障礙時(shí)前車輪先下降著地，以減小震動(dòng)，提高整機(jī)平穩(wěn)性。在主體的左右兩側(cè)，分別配置了平行四邊形側(cè)向被動(dòng)適應(yīng)機(jī)構(gòu)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)與主體之間通過鉸鏈與其相連接，是小車行進(jìn)的主要?jiǎng)恿碓?。利用兩?cè)平行四邊形可任意角度變形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)各種障礙路面的效果。改變平行四邊形機(jī)構(gòu)的角度，可使左右兩側(cè)車輪充分與地面接觸，使機(jī)器人的6個(gè)輪子受力盡量均勻，加強(qiáng)機(jī)器人對(duì)不同路面的適應(yīng)能力，更加平穩(wěn)地越過障礙，并且更好地保證整車的平衡性。主體機(jī)構(gòu)主要起到支撐與連接機(jī)器人各個(gè)部分的作用，同時(shí)，整個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)就安裝在主體之中。后部機(jī)構(gòu)與主體剛性連接，配備有電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，主要起支撐作用，并配合前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

　　2 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

　　智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控端由臺(tái)式PC主機(jī)通過RS232或網(wǎng)絡(luò)接口連接無線收發(fā)模塊，完成圖像、語音的收集和顯示播放再現(xiàn)，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的周圍環(huán)境，必要時(shí)可以通過無線收發(fā)模塊發(fā)送控制命令，完成控制任務(wù)。由于研制的進(jìn)度，本部分即虛線框內(nèi)的功能正在開發(fā)，是今后研究的重點(diǎn)；現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人控制端由核心控制板模塊、視頻采集模塊、語音采集模塊、人機(jī)交互模塊、程序下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、無線收發(fā)模塊等組成。

　　2.2 語音視頻采集模塊

　　因?yàn)闄C(jī)器人需要收集周圍環(huán)境的信息，監(jiān)聽周圍的情況，提供與圖像信息同步的語音信息，以便控制人員準(zhǔn)確地掌握周圍所發(fā)生的情況，及時(shí)做出決策，所以設(shè)計(jì)了語音采集模塊以完成此項(xiàng)功能。本設(shè)計(jì)采用了Philips公司的UDA1341TS芯片與微處理器S3C2410相連，提供了完整的語音錄制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能夠讀取IIS總線上的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為FIFO數(shù)據(jù)提供DMA的傳輸模式，這樣能夠同時(shí)傳送和接收數(shù)據(jù)。在S3C2410處理器中，音頻數(shù)據(jù)的傳輸可以使用兩個(gè)DMA通道。如聲音播放，先將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存，然后傳到DMA控制器通道2,再通過IIS控制器寫入IIS總線并傳輸給音頻芯片，而通道1則主要用于錄音功能。

　　本系統(tǒng)采用基于CMOS圖像傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)的方案設(shè)計(jì)視頻采集模塊。此方案具有模塊簡(jiǎn)單、外圍電路少、直接輸出數(shù)字信號(hào)、不用經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換就可以提供進(jìn)一步的圖像處理的諸多特點(diǎn)。本課題選用C3188A攝像頭構(gòu)成視頻采集模塊。C3188A是1/3″鏡頭的彩色數(shù)字輸出的攝像頭模塊，攝像頭芯片采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7620.C3188A攝像頭模塊采用數(shù)字和模擬信號(hào)輸出接口，并提供8/16的數(shù)據(jù)總線寬度，通過I2C串行通信協(xié)議，可以對(duì)OV7620內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、飽和度、色調(diào)和圖像輸出格式等。

　　2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源模塊

　　驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人的重要組成部分，它和電機(jī)組成機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制功能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，被廣泛應(yīng)用在控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)將采用4片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)8個(gè)直流電機(jī)，采用PWM調(diào)速原理控制直流電機(jī)達(dá)到控制機(jī)器人的速度。

　　為了消除電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)核心開發(fā)板SBC2410的干擾，從核心開發(fā)板的控制引腳輸出的信號(hào)，經(jīng)過16路光電耦合器（需4片TLP521-4）進(jìn)行信號(hào)隔離，脈寬調(diào)制PWM控制光電耦合器的開關(guān)，以達(dá)到控制L298N驅(qū)動(dòng)芯片的目的，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照所需的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　在電源方面，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電源主要供給核心控制板模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊所用的640?鄢480TFT/LCD顯示器、視頻采集模塊、無線收發(fā)模塊（預(yù)留擴(kuò)展）和語音采集模塊。系統(tǒng)最終選用12 V的電瓶供電，可直接給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和LCD顯示器供電。但由于系統(tǒng)模塊多，所需電流大，所以在提供12 V轉(zhuǎn)5 V電壓時(shí)，選擇開關(guān)電源芯片LM2576作為電壓變換核心器件，它能承受最大3 A的電流輸出。

　　3 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好壞對(duì)于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能極其重要，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，機(jī)器人處理異常情況的能力越強(qiáng)。由于μC/OS-Ⅱ是一種源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)就采用μC/OS-Ⅱ提供多任務(wù)支持，再整合人機(jī)界面μC/GUI和底層驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序等構(gòu)建機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，完成智能控制任務(wù)。

　　3.1 控制系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件系統(tǒng)主要由應(yīng)用軟件、內(nèi)核、系統(tǒng)服務(wù)、驅(qū)動(dòng)程序等組成。其構(gòu)成示意圖如圖2.

　　圖2中硬件平臺(tái)是指核心控制模塊及其外圍擴(kuò)展模塊，如視頻采集模塊、語音采集模塊等；驅(qū)動(dòng)程序是指系統(tǒng)對(duì)LCD、直流電機(jī)、攝像頭模塊、語音采集模塊等程序；內(nèi)核是指嵌入式操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用的是μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)；系統(tǒng)服務(wù)是指圖形界面μC/GUI和文件系統(tǒng)等；應(yīng)用程序是指為完成控制系統(tǒng)所規(guī)劃的任務(wù)等程序。

　　3.2 基于μC/GUI的界面設(shè)計(jì)

　　μC/GUI是嵌入式應(yīng)用中通用的圖形軟件，是為帶LCD的圖形應(yīng)用系統(tǒng)提供高效的圖形用戶接口而設(shè)計(jì)的，它不依賴于處理器和LCD控制器。μC/GUI在多任務(wù)環(huán)境下工作與在單任務(wù)環(huán)境下工作性能同樣卓越，任何尺寸大小的顯示設(shè)備，不管是物理的或是虛擬的，只要具備LCD控制器和處理器，都可以運(yùn)用μC/GUI.μC/GUI產(chǎn)品包中包含有所有的源代碼。實(shí)際上，在所有的嵌入式圖形用戶接口中，μC/GUI提供的源代碼是最整潔最統(tǒng)一的。μC/GUI提供的所有服務(wù)都以該模塊相關(guān)的前綴開始（如：GUI,WM），這將易于理解應(yīng)用程序中與μC/GUI相關(guān)的函數(shù)。同時(shí)，μC/GUI所有的服務(wù)都有很明晰的分類：GUI表示二維圖形，GUI_AA表示反鋸齒等。

　　中間件μC/GUI界面應(yīng)用程序向用戶提供了豐富的API接口函數(shù)，為窗口設(shè)計(jì)提供了方便。在設(shè)計(jì)中，為了繪制一幅背景圖片，首先使用位圖轉(zhuǎn)換工具把bmp格式的位圖轉(zhuǎn)換成μC/GUI支持的C文件，供μC/GUI函數(shù)調(diào)用。然后根據(jù)μC/GUI提供的API函數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。用到的API函數(shù)主要有位圖顯示函數(shù)、窗口創(chuàng)建函數(shù)、窗口客戶區(qū)句柄獲取函數(shù)、按鈕創(chuàng)建函數(shù)、文本框創(chuàng)建函數(shù)和滑動(dòng)進(jìn)度條創(chuàng)建函數(shù)等。設(shè)計(jì)的界面最終在8英寸LCD液晶屏上顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的窗口主要由兩個(gè)子窗口組成：上方窗口主要用于視頻顯示，可以通過觸摸屏點(diǎn)擊開始或結(jié)束，視頻數(shù)據(jù)將自動(dòng)存入規(guī)劃好的內(nèi)存圖像存儲(chǔ)區(qū)，以便進(jìn)一步處理利用，并可選擇機(jī)器人所處環(huán)境的特定算法程序，且運(yùn)行相應(yīng)的程序；下方的窗口工具條主要完成機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)音頻數(shù)據(jù)的收集、播放及停止采集，錄制的音頻信息將自動(dòng)存入規(guī)劃好的內(nèi)存音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)Sound_Buffer中，而播放的音頻數(shù)據(jù)放在內(nèi)存Play_Buffer中，它們采用的都是內(nèi)存映射技術(shù)。

　　3.3 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

　　基于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)管理機(jī)制，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，劃分為6個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，并設(shè)置每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，如表1所示。

　　(1)Motor_Drive_Task——定時(shí)中斷節(jié)拍進(jìn)行計(jì)時(shí)，在任務(wù)循環(huán)塊中，接收?qǐng)D像處理控制算法中形成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，即Image_Analyze_Task任務(wù)中產(chǎn)生的電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，更新PWM輸出，完成機(jī)器人所需運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)的調(diào)整，隨后掛起自身。

　　(2)Image_Analyze_Task——獲取在內(nèi)存循環(huán)隊(duì)列中的圖像數(shù)據(jù)，在任務(wù)循環(huán)塊中檢測(cè)圖像信號(hào)量。如果沒有在一定時(shí)期內(nèi)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，則掛起自身；若有則對(duì)獲取內(nèi)存循壞隊(duì)列中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)并發(fā)送該信息至消息隊(duì)列中，然后釋放圖像信號(hào)量，再掛起自身。

　　(3)Sound_Record_Task——用于采集、存儲(chǔ)機(jī)器人周圍環(huán)境聲音信息數(shù)據(jù)到聲音隊(duì)列中。

　　(4)Sound_Play_Task——定時(shí)從內(nèi)存聲音播放存儲(chǔ)處，即Play_Buffer中提取數(shù)據(jù)放到隊(duì)列中進(jìn)行播放。

　　(5)Image_Collect_Task——建立窗口界面，在任務(wù)循壞塊中檢測(cè)圖像信號(hào)量。如果沒有在一定時(shí)期內(nèi)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，則掛起自身；如果檢測(cè)到圖像信號(hào)量，則采集一幅圖像到圖像存儲(chǔ)循壞隊(duì)列中，采集完成，再釋放圖像信號(hào)量，掛起自身。

　　(6)GUI_Update_Task——按照μC/GUI手冊(cè)規(guī)定，當(dāng)其使用窗口回調(diào)機(jī)制，建議把它設(shè)為最低優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)，用來更新回調(diào)信息，并且該任務(wù)必須實(shí)現(xiàn)，且要定期調(diào)用。

　　4 試驗(yàn)研究分析

　　設(shè)計(jì)并完成裝配的機(jī)器人的樣機(jī)如圖3所示，其中A為攝像頭模塊，B為麥克風(fēng)，C為液晶屏，D為喇叭，E為12 V電瓶。攝像頭離地的高度為450 mm，攝像頭光軸與水平面角度為60°。

　　4.1 視頻圖像采集試驗(yàn)

　　由于本文采用的核心控制板的I/O口資源有限，因此，對(duì)圖像采集的控制信號(hào)線用普通的I/O口，而不是用中斷I/O口與其攝像頭模塊相連，因此只能用軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)I/O的電平狀態(tài)，決定何時(shí)采集開始，何時(shí)讀數(shù)據(jù)，何時(shí)結(jié)束。為了能夠采集到圖像數(shù)據(jù)并能分辨出來，必須能夠跟蹤控制信號(hào)的變化狀態(tài)，如果不對(duì)攝像頭模塊進(jìn)行降頻處理，則由于I/O口電平的變化頻率遠(yuǎn)低于攝像頭控制信號(hào)的變化頻率，將導(dǎo)致I/O口無法跟蹤控制信號(hào)變化，即將無法判斷幀、行、點(diǎn)何時(shí)開始與結(jié)束這些狀態(tài)信息。當(dāng)攝像頭的最高頻率（點(diǎn)像素頻率最高）降到1 MHz左右，系統(tǒng)就能跟蹤并完整地采集到圖像信息，并進(jìn)一步處理之后完好地顯示出來。采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示（示波器采用x10檔）。

　　從以上的圖與表可以清楚地看出：系統(tǒng)的控制信號(hào)非常完整和穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)毛刺、變形等情況，給檢測(cè)讀取帶來了方便。Y0數(shù)據(jù)信號(hào)也很規(guī)整，其他數(shù)據(jù)信號(hào)，如Y1～Y7也是如此。Y0的波形圖中有些段是低電平，出現(xiàn)的位置不一樣，這是因?yàn)閿z像頭移動(dòng)的時(shí)候，環(huán)境光發(fā)生了變化，引起整個(gè)Y數(shù)據(jù)變化，從Y0數(shù)據(jù)也可以清楚看出這一點(diǎn)，并且從圖像上也能很明顯地感到圖像在實(shí)時(shí)移動(dòng)變化著。

　　4.2 直線爬坡試驗(yàn)

　　對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，最典型的情況就是平地、斜坡與臺(tái)階，對(duì)其走直線與爬坡的試驗(yàn)如圖4所示。

　　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地是綠色毛毯狀物質(zhì)。機(jī)器人上電工作之后，就開始在控制算法下運(yùn)行電機(jī)控制任務(wù)，輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，機(jī)器人就沿著直線方向以0.17 m/s（理論計(jì)算值最高可達(dá)0.183 m/s）的速度前進(jìn)。反復(fù)進(jìn)行10次路徑長為5 m的直線行走實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最大偏差為0.25 m，最小偏差為0.08 m，平均偏差為0.184 m。分析其原因，是由于電機(jī)的負(fù)載能力、啟動(dòng)特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的重心位置及輪子與地面的摩擦阻力等因素所造成的。

　　在爬坡實(shí)驗(yàn)中，主要測(cè)試的是機(jī)器人單側(cè)爬坡的能力和效果。斜坡的傾斜角度是可調(diào)整的。對(duì)其進(jìn)行了9次的爬坡實(shí)驗(yàn)，角度從20°～60°的范圍變化，發(fā)現(xiàn)隨著角度每增加，爬坡的難度將變得越來越困難。當(dāng)在36°左右時(shí)，機(jī)器人還能夠保持整體結(jié)構(gòu)平衡，能夠沿著斜坡運(yùn)動(dòng)前進(jìn)并能越過障礙，而在41°左右時(shí)就無法前進(jìn)。這些結(jié)果顯示，機(jī)器人爬坡能力較強(qiáng)，能夠翻越比較大的斜坡。但有些地方需要改進(jìn)，如運(yùn)動(dòng)輪子摩擦不夠，輪子寬度較窄，后輪驅(qū)動(dòng)力稍有不足，與其相連的機(jī)械結(jié)構(gòu)臂剛度不夠等。今后需對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化。

　　4.3 智能巡線試驗(yàn)

　　機(jī)器人的巡線可用于機(jī)器人比賽、自動(dòng)化無人工廠、倉庫、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域，因此研究巡線實(shí)現(xiàn)過程有一定的現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)如圖5所示。

　　(1)控制算法描述：機(jī)器人的動(dòng)態(tài)巡線過程，需要提取并能檢測(cè)判斷機(jī)器人相對(duì)白線的位置情況，形成控制策略，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整。其算法實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，巡線偏移情況如圖7所示。