基于达芬奇技术的移动机器人开发平台设计
2013/11/5 10:40:24
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。
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。
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)
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。
图1 系统硬件框架图
图2 DM6446/3处理器模块图
图3 硬件系统各部分功能图
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。
图4 全自主足球机器人的系统软件结构图
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)
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