摘 要：為了便于系統(tǒng)的擴展和移植，該文采用模塊化的設計方法，應用達芬奇技術，設計了一種移動機器人的開發(fā)平臺。該平臺包括移動機器人需要的視覺系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。同時，設計了多傳感器融合、無線通信、路徑規(guī)劃、人機界面等應用模塊。該平臺具有硬件體積小、功耗低、可擴展、實時性強等優(yōu)點。
關鍵詞：達芬奇技術全景視覺 RTLinux 移動機器人

引言

近年來，隨著計算機技術和控制理論的發(fā)展，機器人技術得到了很大的發(fā)展。機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]。這些機器人系統(tǒng)主要的不足有：

① 系統(tǒng)的實時性差。機器人系統(tǒng)有很高的實時性要求，Windows和Linux很難達到要求；
② 可擴展性差。由于硬件都是專用的，而且軟件系統(tǒng)也非常復雜，不利于系統(tǒng)的擴展；
③ 機器人的本體比較大。機器人系統(tǒng)都采用通用CPU作為處理器，發(fā)熱量比較大，不利于機器人的本體小型化。

1 系統(tǒng)方案設計

針對目前機器人系統(tǒng)存在的不足，本文以全自主移動機器人為背景，設計了一種基于嵌入式RTLinux的移動機器人平臺。該平臺具有體積小、模塊化設計、功耗低、實時性強、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 采用輪式行走機構，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)絡功能，可以通過計算機對機器人發(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)行相應的動作；
⑦ 具有LCD觸摸屏交互功能，便于信息的交互和確認。

為了簡化設計，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展性的設計思想進行設計。

2 系統(tǒng)硬件設計

移動機器人開發(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)的擴展。具體而言，硬件部分主要包括CPU、LCD顯示器、主板、鍵盤、鼠標等。其中，主板負責機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，是整個機器人的控制核心。它主要負責從傳感器系統(tǒng)獲取環(huán)境信息,然后進行決策并將控制信息發(fā)送給電機控制系統(tǒng),同時還要與其它機器人進行通信以及和人進行交互等。我們選擇TI生產(chǎn)的達芬奇作為微處理器，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芬奇技術的代表產(chǎn)品，如圖2所示。DM6446/3采用ARM＋DSP雙核結構，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接口。兩款芯片的不同之處在于DM6446 涵蓋了達芬奇技術中所有的硬件結構, 能適應編解碼等場合的應用, 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), 用于對終端解碼設計[2]。兩款芯片的DSP都有超強的視頻處理能力，配合ARM子系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)，可以非常好地進行視覺系統(tǒng)的設計。

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)行機構、通信系統(tǒng)和人機交互系統(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。控制系統(tǒng)負責各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。執(zhí)行機構包括盤球和射門裝置。通信系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)技術通信，主要負責接收計算機發(fā)來的指令，并把機器人的傳感器信息和機器人之間的狀態(tài)信息發(fā)送給遠程計算機。人機交互系統(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)軟件設計

移動機器人的綜合開發(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程通信機制來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設計[4]。Linux可以非常好地滿足設計要求。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化思想設計軟件系統(tǒng)。

詳細地分析一下整個平臺的任務，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，應將其獨立出來，系統(tǒng)的其它部分由一個主進程來控制。當視覺信息處理完以后,將處理結果傳給系統(tǒng)的主進程來執(zhí)行相應的操作。以全自主足球機器人為應用背景的系統(tǒng)軟件結構圖如圖4所示。

圖4 全自主足球機器人的系統(tǒng)軟件結構圖

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準來實現(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展性和可維護性,為二次開發(fā)提供方便。

4 結束語

基于達芬奇的移動機器人開發(fā)平臺能夠很好地滿足機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、具有很好的人機交互界面。
目前該平臺還只是應用于全自主的足球機器人，要想取得更大的應用，還有很多的工作要做。

參考文獻
1 張廣立,付瑩,楊汝清,等.基于Windows NT的開放式機器人實時控制系統(tǒng)[J].上海交通大學學報,2003,37(5):724-728.
2 宋磊,方向忠.達芬奇技術的視頻應用分析[J].電路與應用,2006,9(3):31-33.
3 TI. DaVinciTM Products simplify digital video innovation [EB/OL]:TI官方網(wǎng)站SPRT378A, 2005.
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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.