基于分布式控制系统的轮式智能机器人研究

0 引言

智能机器人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位，其显著的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能。具体地说，应该具有可移动性，能根据命令或需要到达指定工作地点或区域；应具有图像识别能力，可进行人脸识别、物件识别、视觉导航；具有语音识别与合成功能，可进行人机语音交互，包括用语音命令控制机器人工作、人机语音对话聊天、媒体（视频、音频）语音点播、语音信息查询、文本语音播放等；具有超声波测距与避障功能；具有轨迹跟踪功能；具有测光与光源跟踪功能等。这些功能要求控制系统应具有较好的协调性、实时性和可靠性。针对智能机器人的上述功能特性，我们设计并实现了基于分布式控制系统的轮式智能机器人。

1 分布式控制系统

智能机器人的控制对象及功能较多，比较理想的控制系统解决方案是采用分布式控制系统（Distributed Control System,DCS），将控制功能在下位机分散，每个下位机完成一项特定功能，各下位机便可实现并行工作，这将大大提高整个系统的处理速度和能力。 DCS的核心思想是集中管理、分散控制[1]，即管理与控制分离，上位机用于集中监视管理功能，下位机分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间通过控制网络互连以实现信息传输。显然，采用DCS方案有如下明显优点：实现集中监控和管理，管理与现场分离，管理更能综合化和系统化；实现分散控制，可使各功能模块的设计、装配、调试、维护独立，系统控制的危险性分散，可靠性提高，投资减小；采用网络通信技术，可根据需要增加以微处理器为核心的功能模块，具有良好的系统开放性、扩展性和升级特性。

CAN（Controller Area Network）总线[2]作为连接各上下位机之间的通信网络，非常适用于分布式控制系统，因为它具有许多优点：CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权向总线发送数据，通信方式灵活；CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，因而具有突出的可靠性；CAN总线的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期；CAN总线结构简单，只有两根信号线，挂接在总线上的设备可方便地增减，因而具有优良的扩展性；此外，CAN总线还有传输速率高、实时性强、开放性好、成本低等特点。

2 控制系统的结构

基于CAN总线的分布式控制系统的上位机由主控计算机及所属的语音和图像处理单元构成，下位机则是由以1至5号单片机为核心的功能模块所组成，它们分别是移动平台伺服控制器模块、测距控制器模块、寻迹控制器模块、测光控制器模块、系统监控与电源管理模块，控制系统结构图如图1所示。

由图可见，这是一个典型的分布式控制系统结构。各功能模块单元电路在逻辑上相对独立，每个模块都是一个以自己的处理器（单片机）为核心的功能完整的子系统，且完成一项特定的功能，各单元均通过CAN控制器和CAN驱动器与CAN总线相连，实现与上位机及其它功能模块之间的信息传输。系统监控与电源管理模块除和CAN总线相连外，还有一组状态线和控制线分别与其它各功能模块相连，一方面，该功能模块要通过状态线实时监测其它功能电路的工作状态，另一方面，还要根据主控计算机的控制决策或突发事件（如电路故障报警）通过控制线对相应电路模块进行实时控制（系统复位、切断或接通电源等），以完成系统监控功能。

图1 控制系统结构图

3 智能机器人的结构及功能模块

3.1 主控计算机

主控计算机是分布式控制系统的上位机，主要用于人机语音交互、系统管理、控制决策、任务调度、图像识别与处理等。主控计算机软硬件结构图如图2所示。

图2 主控计算机软硬件结构图

功能完善的语音识别与合成、图像处理等系统往往比较庞大，需要操作系统和其它相关软件资源作支撑，又由于这些信息的处理运算量大，因此，这几项功能的实现以及分布式控制系统中的主控计算机须由一台高性能PC机承担。故上位机不仅具备系统管理、控制决策及任务调度等功能，还同相关设备或部件（CCD、图像采集卡、声卡、音频功放、调频发射与接收机等）一起组成语音识别单元、图像识别单元、语音合成单元等功能单元。

3.1.1 语音控制台

人是机器人的最高决策者和命令下达者，对我们设计的这款机器人下达任何命令均通过语音控制台（手持式微型无线调频话筒）以语音方式实现。这种方式降低了人对机器人的操控难度，使之变得友好、自然，实现了真正意义下的人机对话。

3.1.2 语音识别单元

语音识别是本机器人的关键技术之一。针对不