基于达芬奇技术的移动机器人开发平台设计 - 文章

基于达芬奇技术的移动机器人开发平台设计

作者：周军徐卫刘广存

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摘要：为了便于系统的扩展和移植，该文采用模块化的设计方法，应用达芬奇技术，设计了一种移动机器人的开发平台。该平台包括移动机器人需要的视觉系统、电机控制系统、通信系统。同时，设计了多传感器融合、无线通信、路径规划、人机界面等应用模块。该平台具有硬件体积小、功耗低、可扩展、实时性强等优点。
关键词：达芬奇技术全景视觉 RTLinux 移动机器人

引言

近年来，随着计算机技术和控制理论的发展，机器人技术得到了很大的发展。机器人的软件和硬件日益完善，但仍有很多问题。它们的硬件都是专用的,软件系统也都采用Windows2000或者Windows XP系统[1]。这些机器人系统主要的不足有：

① 系统的实时性差。机器人系统有很高的实时性要求，Windows和Linux很难达到要求；
② 可扩展性差。由于硬件都是专用的，而且软件系统也非常复杂，不利于系统的扩展；
③ 机器人的本体比较大。机器人系统都采用通用CPU作为处理器，发热量比较大，不利于机器人的本体小型化。

1 系统方案设计

针对目前机器人系统存在的不足，本文以全自主移动机器人为背景，设计了一种基于嵌入式RTLinux的移动机器人平台。该平台具有体积小、模块化设计、功耗低、实时性强、可靠性高、软件的可裁减性和可移植性等优点，并且具有以下功能：

① 采用轮式行走机构，控制性能好，速度快，最大速度为2.5m/s；
② 视觉系统采用全景摄像头，可以实现目标的识别、跟踪和定位；
③ 选用红外传感器和超声波传感器，可以实现避障功能；
④ 具有无线网络功能，可以通过计算机对机器人发送指令，读取传感器信息，实时显示图像信息；
⑤ 具有盘球、射门装置，可以完成带球和射门动作；
⑥ 具有简单的语音控制系统，通过语音识别、接受指令并执行相应的动作；
⑦ 具有LCD触摸屏交互功能，便于信息的交互和确认。

为了简化设计，把系统分为软件和硬件两个部分。每个部分都按照模块化和可扩展性的设计思想进行设计。

2 系统硬件设计

移动机器人开发平台的硬件主要由微处理器板和驱动控制器组成，这样可以方便系统的扩展。具体而言，硬件部分主要包括CPU、LCD显示器、主板、键盘、鼠标等。其中，主板负责机器人运动的实时处理计算，包括视觉系统处理、运动规划、决策等，是整个机器人的控制核心。它主要负责从传感器系统获取环境信息,然后进行决策并将控制信息发送给电机控制系统,同时还要与其它机器人进行通信以及和人进行交互等。我们选择TI生产的达芬奇作为微处理器，可以很好地满足系统的要求，系统硬件框架图如图1所示。

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图1 系统硬件框架图

DM6446/3两款多媒体信号处理芯片是达芬奇技术的代表产品，如图2所示。DM6446/3采用ARM＋DSP双核结构，其中ARM子系统采用主频为300MHz的ARM926E核，DSP子系统则采用主频为600MHz的C64X+TMDSP核。外围存储均支持256 MHz DDR2 RAM 和各类存储卡, 另外都使用了VPSS 子系统丰富的视频前后处理功能, 且都配备了完善的外设接口。两款芯片的不同之处在于DM6446 涵盖了达芬奇技术中所有的硬件结构, 能适应编解码等场合的应用, DM6443 则省去了视频协处理器和视频处理子系统中的前端系统, 用于对终端解码设计[2]。两款芯片的DSP都有超强的视频处理能力，配合ARM子系统和Linux操作系统，可以非常好地进行视觉系统的设计。

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图2 DM6446/3处理器模块图

硬件系统主要划分为传感器系统、控制系统、执行机构、通信系统和人机交互系统等5大部分。传感器系统主要由视觉传感器和避障系统组成，视觉系统选用IEEE1394接口的全景摄像头和USB接口的普通摄像头，通过全景可以获取整个环境信息，通过普通摄像头可以更好地获取前进方向上的信息。使用超声波传感器和红外传感器可以实现很好的避障功能。控制系统负责各个子系统之间的数据传输。执行机构包括盘球和射门装置。通信系统采用无线局域网技术通信，主要负责接收计算机发来的指令，并把机器人的传感器信息和机器人之间的状态信息发送给远程计算机。人机交互系统采用LCD触摸屏和语音识别系统。各个部分的功能如图3所示。

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图3 硬件系统各部分功能图

3 系统软件设计

移动机器人的综合开发平台是一个集感知、决策、运动为一体的平台，这里采用多线程和进程通信机制来实现系统软件设计[4]。Linux可以非常好地满足设计要求。我们选用挪威TrollTech公司开发的跨平台C++图形用户开发工具Qt/Embedded作为开发工具，采用面向对象的模块化思想设计软件系统。

详细地分析一下整个平台的任务，该开发平台可以划分为以下几个模块：控制模块、视觉处理模块、决策处理模块、通信模块、语音处理模块、传感器处理模块等。由于视觉系统需要处理信息量比较多，应将其独立出来，系统的其它部分由一个主进程来控制。当视觉信息处理完以后,将处理结果传给系统的主进程来执行相应的操作。以全自主足球机器人为应用背景的系统软件结构图如图4所示。

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图4 全自主足球机器人的系统软件结构图

每个模块相互独立，各模块以类的形式编写和封装，模块之间的交互方式是通过各模块之间的输入输出标准来实现的,最后由控制系统来管理和安排对各子模块的调用[5] 。后续开发人员可以在任何模块上做工作，同时保证软件的可扩展性和可维护性,为二次开发提供方便。

4 结束语

基于达芬奇的移动机器人开发平台能够很好地满足机器人的实时性和可靠性要求，并且具有以下的优点：

① 该平台不管是软件还是硬件都采用模块化设计，方便系统的二次开发；

② 该平台硬件体积小、功耗低、具有很好的人机交互界面。
目前该平台还只是应用于全自主的足球机器人，要想取得更大的应用，还有很多的工作要做。

参考文献
1 张广立,付莹,杨汝清,等.基于Windows NT的开放式机器人实时控制系统[J].上海交通大学学报,2003,37(5):724-728.
2 宋磊,方向忠.达芬奇技术的视频应用分析[J].电路与应用,2006,9(3):31-33.
3 TI. DaVinciTM Products simplify digital video innovation [EB/OL]:TI官方网站SPRT378A, 2005.
4 方正,杨华,胡益民,徐心和.嵌入式智能机器人平台研究.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.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/31/2010)


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