基于嵌入式技术的智能机器人系统研究

近年来，机器人技术的应用开始从制造业向非制造领域扩展，如宇宙探索、海底探查、管道铺设和检修、医疗、军事、服务、娱乐等，基于非结构环境、极限环境的先进机器人技术及应用研究已成为机器人技术研究和发展的主要方向。同时，随着嵌入式处理器的高度发展，嵌入式系统在体积、价格、功耗、性能、稳定性等方面表现出明显的优势。如果将嵌入式系统很好地与机器人技术融合，前景不可估量，因此，研究在嵌入式条件下的机器人技术也更有现实意义。

　　本设计将嵌入式技术应用于机器人系统，采用基于ARM920T核的S3C2410芯片作为主控CPU，使用实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ作为操作系统，并集成必要的中间件μC/GUI和相应的驱动程序与应用程序，构建成一个完整的智能移动机器人系统，完成周围环境的图像、声音等信息的采集，实现机器人的越障等功能。系统具有广阔的发展空间和应用前景，将来可用于在恶劣条件下的军事侦察攻击及反恐防爆等领域。

1 智能机器人系统机械平台的搭建

　　对国内外移动机器人及仿生机器人的研究发现，智能移动机器人系统机械机构大致分为三类，分别为轮式、履带式和腿式，这三种机械模型各有优缺点。其中，轮式移动机器人以其地面适应性强、运行可靠和控制方便而成为移动机器人首要的选择方案，也是本文所介绍机器人采用的结构。

　　该机器人由前部机构、主体机构、侧向机构、后部机构四部分组成。系统共配有6个车轮，每个直径均为100 mm，均为主动轮。其中，前后轮上各安装有两个电机，一个电机驱动转向，另一个驱动机器人的前进后退；其余四个车轮分布在主体的两侧，每个轮上各有一个电机驱动前进后退。

　　机器人前部为一四杆机构，使前轮能够在一定范围内调节其高度，主要功能是在机器人前部遇障碍时，前向连杆机构随车轮上抬，而遇到下凹障碍时前车轮先下降着地，以减小震动，提高整机平稳性。在主体的左右两侧，分别配置了平行四边形侧向被动适应机构，该平行四边形机构与主体之间通过铰链与其相连接，是小车行进的主要动力来源。利用两侧平行四边形可任意角度变形的特点，实现自适应各种障碍路面的效果。改变平行四边形机构的角度，可使左右两侧车轮充分与地面接触，使机器人的6个轮子受力尽量均匀，加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整车的平衡性。主体机构主要起到支撑与连接机器人各个部分的作用，同时，整个机器人的控制系统就安装在主体之中。后部机构与主体刚性连接，配备有电机驱动车轮，主要起支撑作用，并配合前轮实现转向。

2 智能机器人控制系统硬件结构设计

2.1 控制系统总体硬件结构

　　智能机器人控制系统的硬件系统方案设计如图1所示。远程监控端由台式PC主机通过RS232或网络接口连接无线收发模块，完成图像、语音的收集和显示播放再现，监视现场机器人的周围环境，必要时可以通过无线收发模块发送控制命令，完成控制任务。由于研制的进度，本部分即虚线框内的功能正在开发，是今后研究的重点；现场机器人控制端由核心控制板模块、视频采集模块、语音采集模块、人机交互模块、程序下载模块、电机驱动模块、电源模块、无线收发模块等组成。

2.2 语音视频采集模块

　　因为机器人需要收集周围环境的信息，监听周围的情况，提供与图像信息同步的语音信息，以便控制人员准确地掌握周围所发生的情况，及时做出决策，所以设计了语音采集模块以完成此项功能。本设计采用了Philips公司的UDA1341TS芯片与微处理器S3C2410相连，提供了完整的语音录制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能够读取IIS总线上的数据，同时也为FIFO数据提供DMA的传输模式，这样能够同时传送和接收数据。在S3C2410处理器中,音频数据的传输可以使用两个DMA通道。如声音播放，先将数据送到内存，然后传到DMA控制器通道2，再通过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片，而通道1则主要用于录音功能。

　　本系统采用基于CMOS图像传感器直接输出数字信号的方案设计视频采集模块。此方案具有模块简单、外围电路少、直接输出数字信号、不用经过中间转换就可以提供进一步的图像处理的诸多特点。本课题选用C3188A摄像头构成视频采集模块。C3188A是1/3″镜头的彩色数字输出的摄像头模块，摄像头芯片采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620。C3188A摄像头模块采用数字和模拟信号输出接口，并提供8/16的数据总线宽度，通过I2C串行通信协议，可以对OV7620内部的寄存器进行编程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、饱和度、色调和图像输出格式等。

2.3 电机驱