摘 要： 結(jié)合當(dāng)前機器人技術(shù)和嵌入式技術(shù)的融合發(fā)展方向,，提出了一種基于ARM9和μC/OS-Ⅱ的智能機器人系統(tǒng),，給出了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,、硬件設(shè)計,、軟件設(shè)計等系統(tǒng)設(shè)計過程，研究分析了采用的巡線控制算法,。
　　關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù),；智能機器人；實時操作系統(tǒng),；巡線算法

　　近年來,，機器人技術(shù)的應(yīng)用開始從制造業(yè)向非制造領(lǐng)域擴展，如宇宙探索,、海底探查,、管道鋪設(shè)和檢修、醫(yī)療,、軍事,、服務(wù)、娛樂等,，基于非結(jié)構(gòu)環(huán)境,、極限環(huán)境的先進機器人技術(shù)及應(yīng)用研究已成為機器人技術(shù)研究和發(fā)展的主要方向。同時,，隨著嵌入式處理器的高度發(fā)展,，嵌入式系統(tǒng)在體積、價格,、功耗,、性能、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,。如果將嵌入式系統(tǒng)很好地與機器人技術(shù)融合,，前景不可估量，因此,，研究在嵌入式條件下的機器人技術(shù)也更有現(xiàn)實意義,。
　　本設(shè)計將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于機器人系統(tǒng)，采用基于ARM920T核的S3C2410芯片作為主控CPU,，使用實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng),，并集成必要的中間件μC/GUI和相應(yīng)的驅(qū)動程序與應(yīng)用程序，構(gòu)建成一個完整的智能移動機器人系統(tǒng),，完成周圍環(huán)境的圖像,、聲音等信息的采集，實現(xiàn)機器人的越障等功能。系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景,，將來可用于在惡劣條件下的軍事偵察攻擊及反恐防爆等領(lǐng)域,。
1 智能機器人系統(tǒng)機械平臺的搭建
　　對國內(nèi)外移動機器人及仿生機器人的研究發(fā)現(xiàn)，智能移動機器人系統(tǒng)機械機構(gòu)大致分為三類,，分別為輪式,、履帶式和腿式，這三種機械模型各有優(yōu)缺點,。其中,，輪式移動機器人以其地面適應(yīng)性強、運行可靠和控制方便而成為移動機器人首要的選擇方案,，也是本文所介紹機器人采用的結(jié)構(gòu),。
　　該機器人由前部機構(gòu)、主體機構(gòu),、側(cè)向機構(gòu),、后部機構(gòu)四部分組成。系統(tǒng)共配有6個車輪,，每個直徑均為100 mm,，均為主動輪。其中,，前后輪上各安裝有兩個電機,，一個電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向，另一個驅(qū)動機器人的前進后退,；其余四個車輪分布在主體的兩側(cè),，每個輪上各有一個電機驅(qū)動前進后退。
　　機器人前部為一四桿機構(gòu),，使前輪能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其高度,，主要功能是在機器人前部遇障礙時，前向連桿機構(gòu)隨車輪上抬,，而遇到下凹障礙時前車輪先下降著地,，以減小震動，提高整機平穩(wěn)性,。在主體的左右兩側(cè),，分別配置了平行四邊形側(cè)向被動適應(yīng)機構(gòu)，該平行四邊形機構(gòu)與主體之間通過鉸鏈與其相連接,，是小車行進的主要動力來源,。利用兩側(cè)平行四邊形可任意角度變形的特點，實現(xiàn)自適應(yīng)各種障礙路面的效果,。改變平行四邊形機構(gòu)的角度,，可使左右兩側(cè)車輪充分與地面接觸,，使機器人的6個輪子受力盡量均勻，加強機器人對不同路面的適應(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。主體機構(gòu)主要起到支撐與連接機器人各個部分的作用,，同時,，整個機器人的控制系統(tǒng)就安裝在主體之中。后部機構(gòu)與主體剛性連接,，配備有電機驅(qū)動車輪，主要起支撐作用,，并配合前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,。
2 智能機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
　　智能機器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。遠程監(jiān)控端由臺式PC主機通過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)場機器人的周圍環(huán)境,，必要時可以通過無線收發(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；現(xiàn)場機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、人機交互模塊,、程序下載模塊,、電機驅(qū)動模塊、電源模塊,、無線收發(fā)模塊等組成,。

2.2 語音視頻采集模塊
　　因為機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，及時做出決策,，所以設(shè)計了語音采集模塊以完成此項功能,。本設(shè)計采用了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),，同時也為FIFO數(shù)據(jù)提供DMA的傳輸模式，這樣能夠同時傳送和接收數(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)字信號的方案設(shè)計視頻采集模塊,。此方案具有模塊簡單、外圍電路少,、直接輸出數(shù)字信號,、不用經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換就可以提供進一步的圖像處理的諸多特點。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OV7620內(nèi)部的寄存器進行編程,，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 電機驅(qū)動和電源模塊
　　驅(qū)動部分是機器人的重要組成部分,，它和電機組成機器人的執(zhí)行機構(gòu),，完成機器人行走運動。直流電機具有良好的線性調(diào)速特性,、簡單的控制功能,、較高的效率、優(yōu)異的動態(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電機驅(qū)動芯片驅(qū)動8個直流電機，采用PWM調(diào)速原理控制直流電機達到控制機器人的速度,。
　　為了消除電機運轉(zhuǎn)對系統(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，經(jīng)過16路光電耦合器（需4片TLP521-4）進行信號隔離,，脈寬調(diào)制PWM控制光電耦合器的開關(guān),，以達到控制L298N驅(qū)動芯片的目的,，并驅(qū)動電機按照所需的速度運轉(zhuǎn)。
　　在電源方面,，設(shè)計的系統(tǒng)電源主要供給核心控制板模塊,、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊所用的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,，可直接給電機驅(qū)動芯片和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,，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 智能機器人控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　機器人控制系統(tǒng)的實時性好壞對于整個機器人系統(tǒng)的性能極其重要,，控制系統(tǒng)的實時性越強,，機器人處理異常情況的能力越強,。由于μC/OS-Ⅱ是一種源代碼公開、可移植,、可固化,、可裁剪、占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng),，所以本設(shè)計就采用μC/OS-Ⅱ提供多任務(wù)支持,，再整合人機界面μC/GUI和底層驅(qū)動程序及應(yīng)用程序等構(gòu)建機器人軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個機器人的實時控制,，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)動程序等組成。其構(gòu)成示意圖如圖2,。

　　圖2中硬件平臺是指核心控制模塊及其外圍擴展模塊,，如視頻采集模塊、語音采集模塊等,；驅(qū)動程序是指系統(tǒng)對LCD,、直流電機、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
　　本設(shè)計中，在嵌入式GUI方面選擇了Micrium公司開發(fā)的通用的嵌入式圖形用戶界面軟件μC/GUI,，它是μC/OS-Ⅱ的專用GUI,，可以實現(xiàn)與μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的完美結(jié)合。使用它可以方便地定制自己的圖形用戶界面,，完成各種應(yīng)用程序的開發(fā),。
　　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)計提供了方便,。在設(shè)計中,，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)和滑動進度條創(chuàng)建函數(shù)等,。設(shè)計的界面最終在8英寸LCD液晶屏上顯示。本系統(tǒng)設(shè)計的窗口主要由兩個子窗口組成：上方窗口主要用于視頻顯示,，可以通過觸摸屏點擊開始或結(jié)束,，視頻數(shù)據(jù)將自動存入規(guī)劃好的內(nèi)存圖像存儲區(qū)，以便進一步處理利用,，并可選擇機器人所處環(huán)境的特定算法程序,，且運行相應(yīng)的程序；下方的窗口工具條主要完成機器人現(xiàn)場音頻數(shù)據(jù)的收集,、播放及停止采集,，錄制的音頻信息將自動存入規(guī)劃好的內(nèi)存音頻數(shù)據(jù)存儲區(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
　　基于μC/OS-Ⅱ的任務(wù)管理機制，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,，劃分為6個系統(tǒng)任務(wù),，并設(shè)置每個任務(wù)的優(yōu)先級，如表1所示,。

　　(1)Motor_Drive_Task——定時中斷節(jié)拍進行計時,，在任務(wù)循環(huán)塊中,，接收圖像處理控制算法中形成的電機驅(qū)動參數(shù)，即Image_Analyze_Task任務(wù)中產(chǎn)生的電機驅(qū)動參數(shù),，更新PWM輸出,，完成機器人所需運動軌跡姿態(tài)的調(diào)整，隨后掛起自身,。
　　(2)Image_Analyze_Task——獲取在內(nèi)存循環(huán)隊列中的圖像數(shù)據(jù),，在任務(wù)循環(huán)塊中檢測圖像信號量。如果沒有在一定時期內(nèi)進行任務(wù)調(diào)度,，則掛起自身,；若有則對獲取內(nèi)存循壞隊列中的圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，得出電機驅(qū)動參數(shù)并發(fā)送該信息至消息隊列中,，然后釋放圖像信號量,，再掛起自身。
　　(3)Sound_Record_Task——用于采集,、存儲機器人周圍環(huán)境聲音信息數(shù)據(jù)到聲音隊列中,。
　　(4)Sound_Play_Task——定時從內(nèi)存聲音播放存儲處，即Play_Buffer中提取數(shù)據(jù)放到隊列中進行播放,。
　　(5)Image_Collect_Task——建立窗口界面,，在任務(wù)循壞塊中檢測圖像信號量。如果沒有在一定時期內(nèi)進行任務(wù)調(diào)度,，則掛起自身,；如果檢測到圖像信號量,，則采集一幅圖像到圖像存儲循壞隊列中,，采集完成，再釋放圖像信號量,，掛起自身,。
　　(6)GUI_Update_Task——按照μC/GUI手冊規(guī)定，當(dāng)其使用窗口回調(diào)機制,，建議把它設(shè)為最低優(yōu)先級別的任務(wù),，用來更新回調(diào)信息，并且該任務(wù)必須實現(xiàn),，且要定期調(diào)用,。
4 試驗研究分析
　　設(shè)計并完成裝配的機器人的樣機如圖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
　　由于本文采用的核心控制板的I/O口資源有限,，因此,，對圖像采集的控制信號線用普通的I/O口，而不是用中斷I/O口與其攝像頭模塊相連,，因此只能用軟件實時檢測I/O的電平狀態(tài),，決定何時采集開始，何時讀數(shù)據(jù),，何時結(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的變化狀態(tài),，如果不對攝像頭模塊進行降頻處理,，則由于I/O口電平的變化頻率遠低于攝像頭控制信號的變化頻率，將導(dǎo)致I/O口無法跟蹤控制信號變化,，即將無法判斷幀,、行、點何時開始與結(jié)束這些狀態(tài)信息,。當(dāng)攝像頭的最高頻率（點像素頻率最高）降到1 MHz左右,，系統(tǒng)就能跟蹤并完整地采集到圖像信息，并進一步處理之后完好地顯示出來,。采集到的實驗數(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)的控制信號非常完整和穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)毛刺,、變形等情況,，給檢測讀取帶來了方便。Y0數(shù)據(jù)信號也很規(guī)整,，其他數(shù)據(jù)信號,，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,，這是因為攝像頭移動的時候，環(huán)境光發(fā)生了變化,，引起整個Y數(shù)據(jù)變化,，從Y0數(shù)據(jù)也可以清楚看出這一點，并且從圖像上也能很明顯地感到圖像在實時移動變化著,。
4.2 直線爬坡試驗
　　對于移動機器人來說,，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，最典型的情況就是平地、斜坡與臺階,，對其走直線與爬坡的試驗如圖4所示,。

　　實驗場地是綠色毛毯狀物質(zhì)。機器人上電工作之后,，就開始在控制算法下運行電機控制任務(wù),，輸出控制信號，驅(qū)動電機運行,，機器人就沿著直線方向以0.17 m/s（理論計算值最高可達0.183 m/s）的速度前進,。反復(fù)進行10次路徑長為5 m的直線行走實驗，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,，是由于電機的負(fù)載能力,、啟動特性、機械結(jié)構(gòu),、機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,。
　　在爬坡實驗中，主要測試的是機器人單側(cè)爬坡的能力和效果,。斜坡的傾斜角度是可調(diào)整的,。對其進行了9次的爬坡實驗，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,，機器人還能夠保持整體結(jié)構(gòu)平衡,，能夠沿著斜坡運動前進并能越過障礙，而在41°左右時就無法前進,。這些結(jié)果顯示,，機器人爬坡能力較強,，能夠翻越比較大的斜坡,。但有些地方需要改進，如運動輪子摩擦不夠,，輪子寬度較窄,，后輪驅(qū)動力稍有不足，與其相連的機械結(jié)構(gòu)臂剛度不夠等,。今后需對其進行仿真優(yōu)化,。
4.3 智能巡線試驗
　　機器人的巡線可用于機器人比賽、自動化無人工廠,、倉庫,、服務(wù)機器人等領(lǐng)域,，因此研究巡線實現(xiàn)過程有一定的現(xiàn)實意義。試驗如圖5所示,。

　　實驗場地是綠色毛毯狀物質(zhì),，其中白線寬度為30 mm。在啟動試驗平臺之前要調(diào)整攝像頭視角,，如果視角太大,，則循線精度很難保證，甚至?xí)撾x預(yù)期的軌跡,。經(jīng)過試驗驗證,，當(dāng)攝像頭光軸與地面夾角大約為60°左右時，其循線可靠性及精度能夠得到很好的保證,。
　　(1)控制算法描述：機器人的動態(tài)巡線過程,，需要提取并能檢測判斷機器人相對白線的位置情況，形成控制策略,，完成機器人的運動姿態(tài)調(diào)整,。其算法實現(xiàn)流程如圖6所示，巡線偏移情況如圖7所示,。

　　(2)特征匹配：圖像匹配技術(shù)是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中的一項重要研究,，基本原理就是根據(jù)已知模式(模板圖)，到另一幅圖中搜索相匹配的子圖像,，該過程被稱為模板匹配,。通常，圖像的模板匹配技術(shù)可以分成直接基于灰度值的方法以及基于特征提取的方法兩大類,。
　　這兩種算法共同的缺陷是時間復(fù)雜度高,，不利于實時操作，特別是在在線檢測,、機器人視覺伺服等需要從大量視頻信號實現(xiàn)數(shù)字處理海量圖像的匹配場合,。由于本課題采用的處理器S3C2410硬件不支持浮點運算，無法采用上述方法識別機器人相對于白線的位置是左偏還是右偏,。為此,，結(jié)合機器人應(yīng)用環(huán)境的特殊情況，對二維圖像匹配算法進行了改進與簡化,，其基本思路和實現(xiàn)過程如下：
　?、僭诂F(xiàn)場采集一幅圖像，如圖8(a)所示(理想情況),，大小為320×240像素,。

　　②把圖像分成三個圖像帶：A0，像素從L0～L1,；A1,，像素從L2～L3；A2,，像素從L4～L5,；再把每個帶分成左右兩半，其像素從中間開始向兩邊遞增,，即從p0～p159,，并分別給出權(quán)值，求其每點的灰度值與相應(yīng)點權(quán)值并求出總和,，其表達式為：
　　Sj＝V1*1+V2*2+…+Vi*i+…+Vn*n
    (Vi為灰度值,，i為權(quán)值；0≤n≤159,，n為整數(shù),；L0≤j≤L1或L2≤j≤L3，j整數(shù))
    ③用Ai右邊區(qū)的總和減去Ai左邊區(qū)的總和的差值,，看是否落在誤差的允許范圍[-δ,，δ]之內(nèi)，即表達式為：
    Tm＝(Sj右－Sj左)∈[-δ,，δ] （m＝0,、1、2）
    ④根據(jù)Tm值的大小就可以確定機器人的位置是左偏,、右偏,，或在誤差范圍之內(nèi)，隨之就能產(chǎn)生機器人的控制策略,。
    由于本圖像識別是特定情況的應(yīng)用,，圖像處理數(shù)據(jù)量少、處理快,、巡線穩(wěn)定,、可靠性高，經(jīng)過現(xiàn)場的實驗驗證,，相對于模板在整個搜索圖中搜索匹配效率高,，避免了復(fù)雜的運算，具有很高的實時性,。
    實驗結(jié)果表明,，本課題設(shè)計的機器人能夠很好地實現(xiàn)直線爬坡、巡線行走等功能,，并可以實時采集聲音和圖像信息。在數(shù)據(jù)處理上，采用ARM9核的S3C2410處理器,，數(shù)據(jù)處理快,、實時性強、穩(wěn)定可靠,、效率高,。本文所設(shè)計的嵌入式智能機器人系統(tǒng)，對研究嵌入式技術(shù)和機器人技術(shù)有一定的參考意義,。該技術(shù)也可以應(yīng)用于機器人比賽,、自動化無人工廠、倉庫,、服務(wù)機器人等領(lǐng)域,。

參考文獻
[1] ROLAND S，PIERRE L,，THOMAS E,，et al.Innovative design for wheeled locomotion in rough terrain.Robotics and Autonomous Systems，2002,，40(2-3).
[2] JLABROSSE J.μC/OS-Ⅱ the real time kernel[M].New York：CMP media Inc,，1996.
[3] 劉志雄.基于嵌入式系統(tǒng)的室內(nèi)移動機器人的應(yīng)用研究[D].中國優(yōu)秀博碩學(xué)位論文庫：昆明理工大學(xué)碩士論文，2007,，3.
[4] Labrosse J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ第2版[M].邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2005.
[5] 李翠蘭，馬培蓀.一種新型的可被動適應(yīng)崎嶇表面的六輪月球漫游車[J].傳動技術(shù),，2005,，19（1）：9－13.
[6] LISA G.R.A Survey of image registration techniques[J].ACM Computing Surveys，1992,，24(4)：235-376.
[7] 李強,，張鈸.一種基于圖像灰度的快速匹配算法[J].軟件學(xué)報，2006,，17(2)：216-222.