摘 要：為了便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植，該文采用模塊化的設(shè)計方法，應(yīng)用達(dá)芬奇技術(shù)，設(shè)計了一種移動機(jī)器人的開發(fā)平臺。該平臺包括移動機(jī)器人需要的視覺系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。同時，設(shè)計了多傳感器融合、無線通信、路徑規(guī)劃、人機(jī)界面等應(yīng)用模塊。該平臺具有硬件體積小、功耗低、可擴(kuò)展、實時性強(qiáng)等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：達(dá)芬奇技術(shù)全景視覺 RTLinux 移動機(jī)器人
引言
近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)得到了很大的發(fā)展。機(jī)器人的軟件和硬件日益完善，但仍有很多問題。它們的硬件都是專用的,軟件系統(tǒng)也都采用Windows2000或者Windows XP系統(tǒng)[1]。這些機(jī)器人系統(tǒng)主要的不足有：
① 系統(tǒng)的實時性差。機(jī)器人系統(tǒng)有很高的實時性要求，Windows和Linux很難達(dá)到要求；
② 可擴(kuò)展性差。由于硬件都是專用的，而且軟件系統(tǒng)也非常復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展；
③ 機(jī)器人的本體比較大。機(jī)器人系統(tǒng)都采用通用CPU作為處理器，發(fā)熱量比較大，不利于機(jī)器人的本體小型化。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
針對目前機(jī)器人系統(tǒng)存在的不足，本文以全自主移動機(jī)器人為背景，設(shè)計了一種基于嵌入式RTLinux的移動機(jī)器人平臺。該平臺具有體積小、模塊化設(shè)計、功耗低、實時性強(qiáng)、可靠性高、軟件的可裁減性和可移植性等優(yōu)點，并且具有以下功能：
① 采用輪式行走機(jī)構(gòu)，控制性能好，速度快，最大速度為2.5m/s；
② 視覺系統(tǒng)采用全景攝像頭，可以實現(xiàn)目標(biāo)的識別、跟蹤和定位；
③ 選用紅外傳感器和超聲波傳感器，可以實現(xiàn)避障功能；
④ 具有無線網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過計算機(jī)對機(jī)器人發(fā)送指令，讀取傳感器信息，實時顯示圖像信息；
⑤ 具有盤球、射門裝置，可以完成帶球和射門動作；
⑥ 具有簡單的語音控制系統(tǒng)，通過語音識別、接受指令并執(zhí)行相應(yīng)的動作；
⑦ 具有LCD
觸摸屏交互功能，便于信息的交互和確認(rèn)。
為了簡化設(shè)計，把系統(tǒng)分為軟件和硬件兩個部分。每個部分都按照模塊化和可擴(kuò)展性的設(shè)計思想進(jìn)行設(shè)計。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
移動機(jī)器人開發(fā)平臺的硬件主要由微處理器板和驅(qū)動控制器組成，這樣可以方便系統(tǒng)的擴(kuò)展。具體而言，硬件部分主要包括CPU、LCD顯示器、主板、鍵盤、鼠標(biāo)等。其中，主板負(fù)責(zé)機(jī)器人運動的實時處理計算，包括視覺系統(tǒng)處理、運動規(guī)劃、決策等，是整個機(jī)器人的控制核心。它主要負(fù)責(zé)從傳感器系統(tǒng)獲取環(huán)境信息,然后進(jìn)行決策并將控制信息發(fā)送給電機(jī)控制系統(tǒng),同時還要與其它機(jī)器人進(jìn)行通信以及和人進(jìn)行交互等。我們選擇TI生產(chǎn)的達(dá)芬奇作為微處理器，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)硬件框架圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件框架圖
DM6446/3兩款多媒體信號處理芯片是達(dá)芬奇技術(shù)的代表產(chǎn)品，如圖2所示。DM6446/3采用ARM＋DSP雙核結(jié)構(gòu)，其中ARM子系統(tǒng)采用主頻為300MHz的ARM926E核，DSP子系統(tǒng)則采用主頻為600MHz的C64X+TMDSP核。外圍存儲均支持256 MHz DDR2 RAM 和各類存儲卡, 另外都使用了VPSS 子系統(tǒng)豐富的視頻前后處理功能, 且都配備了完善的外設(shè)接口。兩款芯片的不同之處在于DM6446 涵蓋了達(dá)芬奇技術(shù)中所有的硬件結(jié)構(gòu), 能適應(yīng)編解碼等場合的應(yīng)用, DM6443 則省去了視頻協(xié)處理器和視頻處理子系統(tǒng)中的前端系統(tǒng), 用于對終端解碼設(shè)計[2]。兩款芯片的DSP都有超強(qiáng)的視頻處理能力，配合ARM子系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，可以非常好地進(jìn)行視覺系統(tǒng)的設(shè)計。
圖2 DM6446/3處理器模塊圖
硬件系統(tǒng)主要劃分為傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等5大部分。傳感器系統(tǒng)主要由
視覺傳感器和避障系統(tǒng)組成，視覺系統(tǒng)選用IEEE1394接口的全景攝像頭和USB接口的普通攝像頭，通過全景可以獲取整個環(huán)境信息，通過普通攝像頭可以更好地獲取前進(jìn)方向上的信息。使用超聲波傳感器和紅外傳感器可以實現(xiàn)很好的避障功能?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括盤球和射門裝置。通信系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)技術(shù)通信，主要負(fù)責(zé)接收計算機(jī)發(fā)來的指令，并把機(jī)器人的傳感器信息和機(jī)器人之間的狀態(tài)信息發(fā)送給遠(yuǎn)程計算機(jī)。人機(jī)交互系統(tǒng)采用LCD
觸摸屏和語音識別系統(tǒng)。各個部分的功能如圖3所示。
圖3 硬件系統(tǒng)各部分功能圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
移動機(jī)器人的綜合開發(fā)平臺是一個集感知、決策、運動為一體的平臺，這里采用多線程和進(jìn)程通信機(jī)制來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計[4]。Linux可以非常好地滿足設(shè)計要求。我們選用挪威TrollTech公司開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶開發(fā)工具Qt/Embedded作為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮哪K化思想設(shè)計軟件系統(tǒng)。
詳細(xì)地分析一下整個平臺的任務(wù)，該開發(fā)平臺可以劃分為以下幾個模塊：控制模塊、視覺處理模塊、決策處理模塊、通信模塊、語音處理模塊、傳感器處理模塊等。由于視覺系統(tǒng)需要處理信息量比較多，應(yīng)將其獨立出來，系統(tǒng)的其它部分由一個主進(jìn)程來控制。當(dāng)視覺信息處理完以后,將處理結(jié)果傳給系統(tǒng)的主進(jìn)程來執(zhí)行相應(yīng)的操作。以全自主足球機(jī)器人為應(yīng)用背景的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 全自主足球機(jī)器人的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
每個模塊相互獨立，各模塊以類的形式編寫和封裝，模塊之間的交互方式是通過各模塊之間的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)的,最后由控制系統(tǒng)來管理和安排對各子模塊的調(diào)用[5] 。后續(xù)開發(fā)人員可以在任何模塊上做工作，同時保證軟件的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性,為二次開發(fā)提供方便。
4 結(jié)束語
基于達(dá)芬奇的移動機(jī)器人開發(fā)平臺能夠很好地滿足機(jī)器人的實時性和可靠性要求，并且具有以下的優(yōu)點：
① 該平臺不管是軟件還是硬件都采用模塊化設(shè)計，方便系統(tǒng)的二次開發(fā)；
② 該平臺硬件體積小、功耗低、具有很好的人機(jī)交互界面。
目前該平臺還只是應(yīng)用于全自主的足球機(jī)器人，要想取得更大的應(yīng)用，還有很多的工作要做。
參考文獻(xiàn)
1 張廣立,付瑩,楊汝清,等.基于Windows NT的開放式機(jī)器人實時控制系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(5):724-728.
2 宋磊,方向忠.達(dá)芬奇技術(shù)的視頻應(yīng)用分析[J].電路與應(yīng)用,2006,9(3):31-33.
3 TI. DaVinciTM Products simplify digital video innovation [EB/OL]:TI官方網(wǎng)站SPRT378A, 2005.
4 方正,楊華,胡益民,徐心和.嵌入式智能機(jī)器人平臺研究.2006,1(5):54–58.
5 Konolige K, Myers K, Rusp ini E. The Saphira architecture: a design for autonomy[ J ]. Journal of Experimental and Theoretical Artificial Intelligence, 1997, 9 (21) : 215 - 235.
