嵌入式智能机器人平台研究

赵洋?褚琦

摘要：随着人工智能技术的发展，机器人应用于众多领域，人工智能对于机器人领域的重要性不言而喻，尤其在对理解自然语言、机器学习、人工神经网络、机器视觉和智能调度和智慧的研究中，使机器人在越来越多的领域中得到广泛的应用。本文重点就嵌入式智能机器人平台做了探讨和分析。

关键词：嵌入式；智能机器人；人工智能

人工智能是指研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机，人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起的。人工智能理论进入21世纪，正酝酿着新的突破，人工智能的研究成果将能够创造出更多更高级的智能“制品”——机器人，并使之在越来越多的领域超越人类智能，人工智能将为发展国民经济和改善人类生活做出更大贡献。

一、嵌入式系统的简介

嵌入系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。一个最小的嵌入式系统的基本组成为： 一个用作引导的可用设施（工具）；一个具备内存管理，进程管理和定时器服务的LINUX微内核； 一个初始进程；硬件的驱动程序； 一个或几个应用进程以提供必要的应用功效。 嵌入式系统与普通的PC系统相比主要具有以下特点： 嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强。嵌入式CPU工作在为特定用户群设计的系统中，能够把PC中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，有利于嵌入式系统设计的小型化。嵌入式系统中的软件一般固化在存储芯片或单片机本身中，以提高实行速度与系统可靠性。硬软件都必须高效设计，系统要精简，对软件代码质量要求很高。操作系统一般和软件集成在一起。嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。

二、系统软件设计

机器人软件系统体系结构可分为管理协调层、信息处理层、运动控制层和感知反馈层。最顶层是管理协调层，具有最高的智能水平，由操作人员通过无线遥控操作和语音识别等负责对整个机器人的管理与控制；信息处理层由移动机器人的主控计算机担任，根据作业任务指示以及感知模块的反馈信息，进行运动规划形成具体的作业指令；运动控制层负责完成机器人的电机控制与运动执行，由 CPU 发送运动控制命令给电机驱动器，完成对步进电机控制运动，从而完成操作人员所赋予的任务；感知反馈层位于系统的最底层，用于与环境的直接交互，其功能是获取环境信息和机器人自身状态信息。微软的嵌入式操作系统WinCE。NET可以很好地满足嵌入式智能机器人平台的开发，它提供了优秀的应用开发环境以及系统定制工具，使得整个嵌入式智能机器人平台更加紧凑实时性更强。这里采用Embedded Visual C++作为平台的开发工具，采用面向对象的模块化软件开发思想设计开发软件系统。按照这种设计思想，可以将整个系统的各个模块独立地划分出来。

三、系统硬件设计

硬件主要由嵌入式微处理器板和驱动控制器构成，包括控制处理，电机驱动、感知显示、无线通讯、电源转换等模块。系统采用集中式控制方式，嵌入式主板负责整个系统的控制决策、视觉处理、运动规划以及总体控制等，是机器人的控制中心，承担机器人运动的大量实时计算工作。它的性能将直接影响机器人的实时性能，它是整个机器人的控制中心。各功能模块介绍如下： 控制模块是智能平台的控制中心，负责与其它各个子系统进行数据通讯，因此选用了一款性能较高，具有丰富接口的嵌入式计算机主板。这款主板支持的CPU主频为1.0GHz，高度集成了声卡、显卡和网络等功能。主板设备采用PCI技术，具有良好的计算性能，非常适合于机器人。 感知模块主要包括视觉系统、语音交互、激光检测等。视觉系统采用2个USB摄像头，由計算机通过串口发送控制命令到云台，控制其俯仰角和侧摆角。利用双目视觉系统可以实现自主机器人的自定位和目标检测与跟踪等；人机交互的嵌入式语音识别与合成系统，可以实现对特定命令集的识别。用户可以直接通过语音向机器人发送控制命令，完成诸如前进、后退、找球等基本动作，同时还可以完成避障、射门等需要环境信息的复杂动作。同时机器人可以通过语音合成系统完成自我介绍以及和用户对话等功能，这在导游和娱乐机器人领域将有很大的应用空间。 显示模块完成LCD触摸屏与PC嵌入式模块连接，实现显示功能和人机交互功能。 无线网通信模块实现机器人与PC机的远程通讯。网络通讯系统采用Client/Server的结构体系，创建了WinCE。NET操作系统下的网络通讯模块，同时可以实现机器人与远程PC机进行通讯。用户可以在远程监控PC上观看机器人的当前运动信息，对机器人的运动进行监控，同时可以对机器人进行远程控制，避免机器人出现意外事故。

四、结束语

嵌入式智能机器人平台的开发使得我们常见的自主式机器人不再局限于PC机模式，使得系统更加紧凑、小巧、灵活。同时，嵌入式智能机器人平台还有以下优点： 嵌入式智能机器人平台具有硬件体积小、模块化、易扩展、易移植、功耗低，软件实时性强、可定制、可靠性高等优点；嵌入式智能机器人平台提供了各个层次的应用开发接口，使得用户可以在不同层次上对机器人进行裁减和扩展。智能平台提供了机器人控制系统中常用的各种传感器模块、通讯模块，并有方便直观的人机交互界面；人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。嵌入式智能机器人可以广泛的应用到这些领域，体现出了其广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 方正华. 嵌入式智能机器人平台研究 [J].机器人，2016.

[2]韩军龙.嵌入式智能移动机器人控制系统的开发 [J].机械设计，2015.