移动机器人自主视觉跟踪测控技术研究

摘  要：本文的研究主要目的是提升移动机器人自主视觉跟踪控制系统的整体性能，在设计中采用了高性能微处理器，设计了嵌入式的控制系统。对机器人的指令系统进行分层递进的控制设计，将较为复杂的信息整合和传递一分为二，既能够有效地处理和接收现阶段的信息内容，又能够将这一信息进行数据划分和整合，分别下达到控制系统和运动系统中，能够实现机器人运动的路线控制。根据这一理念设计的移动机器人具有较强的控制能力，且运动十分灵活，可靠性较高。

关键词：自主机器人;嵌入式系统;环境感知;行为决策

随着我国人工智能的高速发展，对机器设备的控制系统提出了更高的要求。现阶段，国内外机器人控制系统经常以DSP为控制核心，这种设计理念下的机器人难以在同一时间完成控制算法和控制机电两个方面的指令。且微控制处理器在资源处理和数据整合方面能力有限，不能够帮助机器人对周围环境进行详细的认识。在本文的设计中，利用PIC微控制器作为辅助系统，以高性能的ARM9微处理器为主要系统，能够提升机器人的自主性和稳定性。解决了复杂算法中数据处理失衡的现象，一定程度上提升了机器人工作的准确性。利用指令分层的设计形式可有效推进机器人运动的可靠性提升。

一、机器人系统平台

本文中所研究的机器人由控制系统、传感器、行走系统、动作系统通讯软件电源等不同的系统组成，整体的机器人尺寸为800mm×450mm×635mm。机器人行走的主要驱动装置为差动驱动，机器人的动作系统中有悬臂、轮滑、放块等不同的装置，利用红外线通讯进行信息获取。由于本次设计机器人的主要目地是完成其自主行走的设计效果，需要在系统中设置较为完善的感知组织。利用红外线传感器、视觉传感器等能够保证机器人在自主行走中获得较为详尽的周围环境信息，提升机器人的信息处理与判断能力。机器人的电源系统为24V直流电压，能够保证供电的稳定以及较大的续航能力。

二、机器人控制系统设计

（一）控制系统结构

在本次设计中，机器人的整体系统具有以下功能：首先，机器人的自主行走与移动通过轮式设备完成，并且能够灵活地进行方向调整和速度转换。根据既定的导航位置快速行走到正确的目标范围内。其次，机器人具有详尽的视觉系统，能够准确判定系统终端下达的目标指令，根据周围的环境选择最佳的移动状态和动作。然后，机器人能够将需要携带的物品，准确地放在既定位置上。最后，在机器人自主行走的过程中，一旦出现碰撞、跌倒、偏航等现象，能够根据既定的数据库进行状态分析，及时加以修正。

为了将机器人控制系统中决策运动控制两个功能处于相对平衡的状态，设计中采取了三级控制的策略。将整体的控制环节分为组织部分、协调部分两个方向对机器人加以控制，保证各项信息下达能够得到准确的反馈。机器人控制系统结构如图1所示。

机器人的控制系统根据传感器下发的相关信息，会对机器人所处的客观环境进行详细分析，最后得出最为可行的机器人运动规划。协调部分根据组织部分下发的运动指令，结合机器人目前的状况以及运动系统的特点向执行部分发送相关信息，执行部分则根据信息的内容将详细的参数下发到机器人的运动系统与感知系统中。进而能够完成机器人的行走、携带物品等运动指令。

（二）控制系统硬件设计

控制系统的硬件由嵌入式主板、下位机控制器和驱动控制器构成。嵌入式主板能够提神机器人动作的准确性和可靠性，与此同时，设计阶段HIA综合考量了机器人视觉、感官等方面的能力提升，利用ARM9核的微处理器S3C2440。S3C2440集成了CMOS Camera控制器，能够有效实现机器人感官系统的电路延伸，既能够保证接口资源的稳定和丰富，还能夠提升信息处理系统中的工作频率，增强机器人的工作质量。

协调部分对系统的控制硬件由PIC18F452、红外电路、动作开关等组成。其中单片机能够借助红外线处理器中的信息内容加以整合，而后下发机器人的决策指令，利用PID算法保证数据的准确性，有效控制自动化机器人的位移和动作。PIC18F452可以同时对左右2个走行电机实施速度控制。当机器人移动后骤停，会产生瞬间的单溜干扰，需要在组织部分中设置红外线通讯方式，避免机器内部信号波动对机器人移动控制的影响。

（三）控制系统软件设计

在控制系统软件设计中，包括硬件初始化、传感信号的采集、预处理、系统状态判断、机器人自身的运动方向抉择等。协调及软件包括编码、信号处理、速度控制等。在这一部分的设计中，使用了模糊控制的策略，基于PID算法控制机器人内部的速度运行驱动电机。软件开发利用嵌入式操作系统完成，能够确保设计出的机器人具有良好的实时性和可移植性，既能够满足系统的需求，又能够提升机器人自身的运动、判断、信息处理能力。

组织系统软件设计的外部控制系统有键盘、窗口事件等，能够有效与外界进行交流。障碍判断、距离判断、干扰判断等，能够帮助机器人感知外界环境。与此同时，还能够通过环境规范化系统进行机器人的移动躲避障碍等。还有动作决策、红外线通讯等不同的任务系统，各个任务模块在与外界沟通处理数据之后需要将相关的数据传输到终端进程中，而后进行决策，终端下发相应的运动指令对机器人的运动控制系统进行协调。利用红外线通讯系统与组织及进行信息交换和处理。

以上的信息整合和数据交换工作均按照OSI分层思想完成，能够确保机器人控制系统软件的扩展性。在机器人通信过程中，设定了握手和重传机制，能够避免数据传递过程中出现失真和丢失等现象。控制系统软件设计的详细流程见图2。

结论

根据上文的研究能够看出，在本次机器人设计中采用了高性能微处理以及嵌入式操作系统，用于机器人的结构设计。在此基础上，设计并实现了轮式移动机器人嵌入式控制系统，这一系统的使用能够有效节约建设成本资源，实现机器人对相对复杂的外界信息进行感知和处理的能力。借助机器人内部的处理系统，能够实现模糊控制的目标，使得机器人能够在日常移动和判断事物中具备良好的抗干扰能力。诚然，在本文的设计与研究中还存在一定的弊端和问题，相信在未来一段时间的深化研究中，结合信息化、技术化的发展成果，必然能够取得机器人设计领域的良好成绩。

参考文献

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作者简介：

陈刚（1981.8）陕西长安， 男， 汉，高级工程师，学士，研究方向：从事电气控制及自动化、设备控制，测控技术、机器人操作