摘 要：為了便于系統的擴展和移植，該文采用模塊化的設計方法，應用達芬奇技術，設計了一種移動機器人的開發平臺。該平臺包括移動機器人需要的視覺系統、電機控制系統、通信系統。同時，設計了多傳感器融合、無線通信、路徑規劃、人機界面等應用模塊。該平臺具有硬件體積小、功耗低、可擴展、實時性強等優點。
關鍵詞：達芬奇技術全景視覺 RTLinux 移動機器人
引言
近年來，隨著計算機技術和控制理論的發展，機器人技術得到了很大的發展。機器人的軟件和硬件日益完善，但仍有很多問題。它們的硬件都是專用的,軟件系統也都采用Windows2000或者Windows XP系統[1]。這些機器人系統主要的不足有：
① 系統的實時性差。機器人系統有很高的實時性要求，Windows和Linux很難達到要求；
② 可擴展性差。由于硬件都是專用的，而且軟件系統也非常復雜，不利于系統的擴展；
③ 機器人的本體比較大。機器人系統都采用通用CPU作為處理器，發熱量比較大，不利于機器人的本體小型化。
1 系統方案設計
針對目前機器人系統存在的不足，本文以全自主移動機器人為背景，設計了一種基于嵌入式RTLinux的移動機器人平臺。該平臺具有體積小、模塊化設計、功耗低、實時性強、可靠性高、軟件的可裁減性和可移植性等優點，并且具有以下功能：
① 采用輪式行走機構，控制性能好，速度快，最大速度為2.5m/s；
② 視覺系統采用全景攝像頭，可以實現目標的識別、跟蹤和定位；
③ 選用紅外傳感器和超聲波傳感器，可以實現避障功能；
④ 具有無線網絡功能，可以通過計算機對機器人發送指令，讀取傳感器信息，實時顯示圖像信息；
⑤ 具有盤球、射門裝置，可以完成帶球和射門動作；
⑥ 具有簡單的語音控制系統，通過語音識別、接受指令并執行相應的動作；
⑦ 具有LCD
觸摸屏交互功能，便于信息的交互和確認。
為了簡化設計，把系統分為軟件和硬件兩個部分。每個部分都按照模塊化和可擴展性的設計思想進行設計。
2 系統硬件設計
移動機器人開發平臺的硬件主要由微處理器板和驅動控制器組成，這樣可以方便系統的擴展。具體而言，硬件部分主要包括CPU、LCD顯示器、主板、鍵盤、鼠標等。其中，主板負責機器人運動的實時處理計算，包括視覺系統處理、運動規劃、決策等，是整個機器人的控制核心。它主要負責從傳感器系統獲取環境信息,然后進行決策并將控制信息發送給電機控制系統,同時還要與其它機器人進行通信以及和人進行交互等。我們選擇TI生產的達芬奇作為微處理器，可以很好地滿足系統的要求，系統硬件框架圖如圖1所示。
圖1 系統硬件框架圖
DM6446/3兩款多媒體信號處理芯片是達芬奇技術的代表產品，如圖2所示。DM6446/3采用ARM＋DSP雙核結構，其中ARM子系統采用主頻為300MHz的ARM926E核，DSP子系統則采用主頻為600MHz的C64X+TMDSP核。外圍存儲均支持256 MHz DDR2 RAM 和各類存儲卡, 另外都使用了VPSS 子系統豐富的視頻前后處理功能, 且都配備了完善的外設接口。兩款芯片的不同之處在于DM6446 涵蓋了達芬奇技術中所有的硬件結構, 能適應編解碼等場合的應用, DM6443 則省去了視頻協處理器和視頻處理子系統中的前端系統, 用于對終端解碼設計[2]。兩款芯片的DSP都有超強的視頻處理能力，配合ARM子系統和Linux操作系統，可以非常好地進行視覺系統的設計。
圖2 DM6446/3處理器模塊圖
硬件系統主要劃分為傳感器系統、控制系統、執行機構、通信系統和人機交互系統等5大部分。傳感器系統主要由
視覺傳感器和避障系統組成，視覺系統選用IEEE1394接口的全景攝像頭和USB接口的普通攝像頭，通過全景可以獲取整個環境信息，通過普通攝像頭可以更好地獲取前進方向上的信息。使用超聲波傳感器和紅外傳感器可以實現很好的避障功能。控制系統負責各個子系統之間的數據傳輸。執行機構包括盤球和射門裝置。通信系統采用無線局域網技術通信，主要負責接收計算機發來的指令，并把機器人的傳感器信息和機器人之間的狀態信息發送給遠程計算機。人機交互系統采用LCD
觸摸屏和語音識別系統。各個部分的功能如圖3所示。
圖3 硬件系統各部分功能圖
3 系統軟件設計
移動機器人的綜合開發平臺是一個集感知、決策、運動為一體的平臺，這里采用多線程和進程通信機制來實現系統軟件設計[4]。Linux可以非常好地滿足設計要求。我們選用挪威TrollTech公司開發的跨平臺C++圖形用戶開發工具Qt/Embedded作為開發工具，采用面向對象的模塊化思想設計軟件系統。
詳細地分析一下整個平臺的任務，該開發平臺可以劃分為以下幾個模塊：控制模塊、視覺處理模塊、決策處理模塊、通信模塊、語音處理模塊、傳感器處理模塊等。由于視覺系統需要處理信息量比較多，應將其獨立出來，系統的其它部分由一個主進程來控制。當視覺信息處理完以后,將處理結果傳給系統的主進程來執行相應的操作。以全自主足球機器人為應用背景的系統軟件結構圖如圖4所示。
圖4 全自主足球機器人的系統軟件結構圖
每個模塊相互獨立，各模塊以類的形式編寫和封裝，模塊之間的交互方式是通過各模塊之間的輸入輸出標準來實現的,最后由控制系統來管理和安排對各子模塊的調用[5] 。后續開發人員可以在任何模塊上做工作，同時保證軟件的可擴展性和可維護性,為二次開發提供方便。
4 結束語
基于達芬奇的移動機器人開發平臺能夠很好地滿足機器人的實時性和可靠性要求，并且具有以下的優點：
① 該平臺不管是軟件還是硬件都采用模塊化設計，方便系統的二次開發；
② 該平臺硬件體積小、功耗低、具有很好的人機交互界面。
目前該平臺還只是應用于全自主的足球機器人，要想取得更大的應用，還有很多的工作要做。
參考文獻
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