移動機器人自主視覺跟蹤測控技術研究

摘? 要：本文的研究主要目的是提升移動機器人自主視覺跟蹤控制系統的整體性能，在設計中采用了高性能微處理器，設計了嵌入式的控制系統。對機器人的指令系統進行分層遞進的控制設計，將較為復雜的信息整合和傳遞一分為二，既能夠有效地處理和接收現階段的信息內容，又能夠將這一信息進行數據劃分和整合，分別下達到控制系統和運動系統中，能夠實現機器人運動的路線控制。根據這一理念設計的移動機器人具有較強的控制能力，且運動十分靈活，可靠性較高。

關鍵詞：自主機器人;嵌入式系統;環境感知;行為決策

隨著我國人工智能的高速發展，對機器設備的控制系統提出了更高的要求?，F階段，國內外機器人控制系統經常以DSP為控制核心，這種設計理念下的機器人難以在同一時間完成控制算法和控制機電兩個方面的指令。且微控制處理器在資源處理和數據整合方面能力有限，不能夠幫助機器人對周圍環境進行詳細的認識。在本文的設計中，利用PIC微控制器作為輔助系統，以高性能的ARM9微處理器為主要系統，能夠提升機器人的自主性和穩定性。解決了復雜算法中數據處理失衡的現象，一定程度上提升了機器人工作的準確性。利用指令分層的設計形式可有效推進機器人運動的可靠性提升。

一、機器人系統平臺

本文中所研究的機器人由控制系統、傳感器、行走系統、動作系統通訊軟件電源等不同的系統組成，整體的機器人尺寸為800mm×450mm×635mm。機器人行走的主要驅動裝置為差動驅動，機器人的動作系統中有懸臂、輪滑、放塊等不同的裝置，利用紅外線通訊進行信息獲取。由于本次設計機器人的主要目地是完成其自主行走的設計效果，需要在系統中設置較為完善的感知組織。利用紅外線傳感器、視覺傳感器等能夠保證機器人在自主行走中獲得較為詳盡的周圍環境信息，提升機器人的信息處理與判斷能力。機器人的電源系統為24V直流電壓，能夠保證供電的穩定以及較大的續航能力。

二、機器人控制系統設計

（一）控制系統結構

在本次設計中，機器人的整體系統具有以下功能：首先，機器人的自主行走與移動通過輪式設備完成，并且能夠靈活地進行方向調整和速度轉換。根據既定的導航位置快速行走到正確的目標范圍內。其次，機器人具有詳盡的視覺系統，能夠準確判定系統終端下達的目標指令，根據周圍的環境選擇最佳的移動狀態和動作。然后，機器人能夠將需要攜帶的物品，準確地放在既定位置上。最后，在機器人自主行走的過程中，一旦出現碰撞、跌倒、偏航等現象，能夠根據既定的數據庫進行狀態分析，及時加以修正。

為了將機器人控制系統中決策運動控制兩個功能處于相對平衡的狀態，設計中采取了三級控制的策略。將整體的控制環節分為組織部分、協調部分兩個方向對機器人加以控制，保證各項信息下達能夠得到準確的反饋。機器人控制系統結構如圖1所示。

機器人的控制系統根據傳感器下發的相關信息，會對機器人所處的客觀環境進行詳細分析，最后得出最為可行的機器人運動規劃。協調部分根據組織部分下發的運動指令，結合機器人目前的狀況以及運動系統的特點向執行部分發送相關信息，執行部分則根據信息的內容將詳細的參數下發到機器人的運動系統與感知系統中。進而能夠完成機器人的行走、攜帶物品等運動指令。

（二）控制系統硬件設計

控制系統的硬件由嵌入式主板、下位機控制器和驅動控制器構成。嵌入式主板能夠提神機器人動作的準確性和可靠性，與此同時，設計階段HIA綜合考量了機器人視覺、感官等方面的能力提升，利用ARM9核的微處理器S3C2440。S3C2440集成了CMOS Camera控制器，能夠有效實現機器人感官系統的電路延伸，既能夠保證接口資源的穩定和豐富，還能夠提升信息處理系統中的工作頻率，增強機器人的工作質量。

協調部分對系統的控制硬件由PIC18F452、紅外電路、動作開關等組成。其中單片機能夠借助紅外線處理器中的信息內容加以整合，而后下發機器人的決策指令，利用PID算法保證數據的準確性，有效控制自動化機器人的位移和動作。PIC18F452可以同時對左右2個走行電機實施速度控制。當機器人移動后驟停，會產生瞬間的單溜干擾，需要在組織部分中設置紅外線通訊方式，避免機器內部信號波動對機器人移動控制的影響。

（三）控制系統軟件設計

在控制系統軟件設計中，包括硬件初始化、傳感信號的采集、預處理、系統狀態判斷、機器人自身的運動方向抉擇等。協調及軟件包括編碼、信號處理、速度控制等。在這一部分的設計中，使用了模糊控制的策略，基于PID算法控制機器人內部的速度運行驅動電機。軟件開發利用嵌入式操作系統完成，能夠確保設計出的機器人具有良好的實時性和可移植性，既能夠滿足系統的需求，又能夠提升機器人自身的運動、判斷、信息處理能力。

組織系統軟件設計的外部控制系統有鍵盤、窗口事件等，能夠有效與外界進行交流。障礙判斷、距離判斷、干擾判斷等，能夠幫助機器人感知外界環境。與此同時，還能夠通過環境規范化系統進行機器人的移動躲避障礙等。還有動作決策、紅外線通訊等不同的任務系統，各個任務模塊在與外界溝通處理數據之后需要將相關的數據傳輸到終端進程中，而后進行決策，終端下發相應的運動指令對機器人的運動控制系統進行協調。利用紅外線通訊系統與組織及進行信息交換和處理。

以上的信息整合和數據交換工作均按照OSI分層思想完成，能夠確保機器人控制系統軟件的擴展性。在機器人通信過程中，設定了握手和重傳機制，能夠避免數據傳遞過程中出現失真和丟失等現象?？刂葡到y軟件設計的詳細流程見圖2。

結論

根據上文的研究能夠看出，在本次機器人設計中采用了高性能微處理以及嵌入式操作系統，用于機器人的結構設計。在此基礎上，設計并實現了輪式移動機器人嵌入式控制系統，這一系統的使用能夠有效節約建設成本資源，實現機器人對相對復雜的外界信息進行感知和處理的能力。借助機器人內部的處理系統，能夠實現模糊控制的目標，使得機器人能夠在日常移動和判斷事物中具備良好的抗干擾能力。誠然，在本文的設計與研究中還存在一定的弊端和問題，相信在未來一段時間的深化研究中，結合信息化、技術化的發展成果，必然能夠取得機器人設計領域的良好成績。

參考文獻

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作者簡介：

陳剛（1981.8）陜西長安， 男， 漢，高級工程師，學士，研究方向：從事電氣控制及自動化、設備控制，測控技術、機器人操作