基于分布式控制系统的轮式智能机器人研究

机器人技术 中文核心期刊 ‘微计算机信息)(嵌入式与S0C)2006年第22卷第4．2期 基于分布式控制系统的轮式智能机器人研究 Research of a Wheeled-intelllgent Robot Based on Distributed Control System (成都航空职业技术学院)邱寄帆 芏海春 Qiu。Jifan Wang，Haichun 摘要：语音处理、图像处理和定位导航是智能机器人研 究的核心内容。介绍 了分布式控制系统和 CAN总线的概念和特性。提 出了一种用于智能机器人的分布式控制系统结构 ，时基于该控昔对系统的智能机器人的体 系结构 、导航与控制、环境感知进 行了研 究。着重阐述了语音识别和图像识别功能的 实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 关键词：分布式控制系统 ：智能机器人 ；CAN总线 中图法分类号：TP24 文献标识码：A Abstract：The speech processing，image processing，positioning and navigation are the core contents of the intelligent robot research． In this paper． the concept and characteristics of the distributed control system and CAN bus are intrtxtuced． A kind 0f distributed control system structure that used for the intelligent robot is present． The architecture， navigation and control， and the environment feeling based on this system are studied．And the function realization of speech recognition and image recognition are emphasized． Key words： distributed control system ；intemgent robot；CAN bus 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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，Des)，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。Des 的核心思想是集中管理、分散控制，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 Des方案有如下明显 邱寄帆：ii~l教授 基金项目：成都航院自然科研基金资助项目。 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 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 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 一 180—36O元，年 邮局订阅号：82-946 维普资讯 http://www.cqvip.com 机器人技术 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问的信息传输。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，叉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。针对不同 的应用目的和平台。语音识别有多种实现途径，如用 于语音玩具的只能识别较少数量孤立单词的简易专 用语音识别芯片；面向嵌入式系统或设备，对系统资 源要求不高的基于 DSP或其它 MCU的语音识别模 孳．P 音识别的解决方 基 于Pc环境的语音识别系统等。 曩 宜采胄 需 端 篓 宜采用面向Pc平台、功能强大、性能优异的具有连续匿 1 嚣 茬 篓 孳 i葛 sDK，以及中科院自动化所推出的基于Pc平台的 Pattek ASR／P2．0 SDK，这两个产品都具有许多共同特一 点，如识别率高，对环境噪声和口音的适应能力强；具 匿j 有非特定人语音识别功能。适合不同性别和口音的普 通话 ；接 口丰富，便于二次开发，可有效缩短开发周 期；抗干扰能力强；词表替换方便，且不需要重新采集 语音数据训练模型等。 3．1．3图像处理单元 本智能机器人的图像处理单元可实现人脸识别、 物件识别与视觉导航。机器人视觉是近年来人工智能 研究的活跃课题 ．也是我们本次机器人研究的重要子 课题 一个优秀的人脸及物件 目标 自动识别系统应具 有训练时间短，识别速度快，识别准确率高等特点，因 此。算法的研究通常基于这几个特点展开。典型的KL 算法在提取图像的代数特征方面。其效率和速度均有 待提高．且得到的特征向量的可分性也不好；虽然统 计不相关最佳鉴别变换拥有很好的分类效果 。但如果 直接利用图像向量构造图像散布矩阵运算量又会太 大，导致识别速度降低。 在经典代数特征提取方法基础上，我们设计并实 现了基于 KL和统计不相关最佳鉴别变换的人脸及物 件识别算法，较好地解决了运算量和识别速度 、识别 准确率之间的矛盾。实际应用表明，这套人脸及物件 自动识别系统具有性能稳定可靠、识别速度快、识别 准确率高等优点。 我们将改进后的算法在计算机上实现，并使用最 @啪潮邮局订 82铷360．~／_l81— 维普资讯 http://www.cqvip.com 机器人技术 中文核心期刊 ‘微计算机信息>(嵌入式与SOC)2006年第22卷第4_2期 小距离分类器进行识别测试 ，最终结果表明：训练时 间明显减少 ，训练 2OO幅图像的时间小于 8O秒，训练 全部400幅图像的时间小于480秒；识别速度均在 1 秒之内，有较大提高；识别正确率提高，平均正确识别 率明显高于单独的KL和统计不相关最佳鉴别变换方 法，可达 92％以上。 图像处理单元还有一个重要功能。即用于视觉导 航。视觉导航是近年来发展起来的一种先进导航技 术，然而，视觉导航是一个十分具有挑战性的复杂课 题，实现该项技术具有很高的难度。其中一种方案是 视觉导航系统通过识别路径引导线或标志信息为机 器人提供视觉导航。在这种方案中，路径识别是视觉 导航的关键。具体思路是：系统通过边缘检测法检测 路径引导线，并计算自身相对于引导路径的位姿值 ， 从而进行导航控制。 3．1．4语音合成单元 要实现人机语音交互。机器人除应具备能听懂人 的自然语言的语音识别系统 (Speech Recognition，SR) 外，还应具备能开口说话的语音合成系统(Speech Syn— thesis，ss)。TrS(Text—to—Speech)tiP文语转换 。是将文字 信息转换成语音的一种技术。实现 几 的核心技术很 复杂，然而，为帮助软件开发者开发语音软件，微软公 司提供了支持中文文本的识别和合成语音引擎 Mi— crosoft Speech SDK 5．1，利用该引擎，我们可轻松实现 11'S，创建具有 几1S功能的应用程序。 3．2 移动平台伺服控制器 本轮式机器人由轮式移动平台和平台上的机器 人头部组成。机器人头部安装有一部带有控制云台的 摄像机、一对全频音箱、4个超声波传感器、8只光敏 传感器等零部件，而主控计算机、各功能模块电路板、 电池组、调频接收机、音频放大器 、红外光电传感器等 零部件则安装在移动平台上。轮式移动平台采用3组 正交轮驱动，具有3个自由度，可实现仿人灵活移动。 如图 1所示，由移动平台伺服控制器、PWM放大器、驱 动电机和增量式光电码盘构成速度闭环控制。 3．3测距控制器 在机器人头部装有4个超声波传感器，用于检测 四个方向的障碍物信息，以实现测距与避障功能。传 感器的有效检测距离在 0．3m至 5m之间。误差小于 5cm。 3．4 寻迹控制器 5只用于寻迹的红外光电传感器置于机器人正前 方 ，方向朝下，呈对称分布，用于检测地面的路线轨 迹。 本机器人有多种导航方式。第一种是在其运动路 径上设置导航信息媒体，由传感器检测导航信息的特 性 ，控制机器人按 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的路线行驶的外导式。本机器 人利用 CCD进行路径识别的视觉导航 、利用红外光电 传感器检测地面的路线轨迹进行导航 、利用超声波传 感器进行的导航 、利用光敏传感器进行的导航等导航 方式均属于外导式。第二种是内导式，即按运动规划 或预先设定的运动路径行驶的导航方式。 3．5测光控制器 安装在机器人头部，彼此呈 45度角的 8只光敏 传感器，连同对应的8路 A／D转换器和测光控制器。 构成测光单元，用于检测或追踪光源。在光敏传感器 和测光控制器之间加入 A／D转换器，可精确检测不同 方位的光强度。 3．6系统监控与电源管理 系统监控与电源管理模块负责对整个控制系统 的工作状态实施监控和管理。该模块具备以下功能： 当某一电路或功能模块发生故障时，由该模块向主控 计算机和其它模块发出报警信息，并将该模块复位． 复位后若故障消失，则解除警报，否则关闭该模块 ．并 通知其它电路停止与该模块通信；实时监控系统工作 状态，当某些功能电路暂不工作时，关闭其电源，以节 约机载电能。 4 结语 该智能机器人经反复实验 ，已基本达到预期效 果，大部分功能已经实现。其中，语音识别与控制、语 音合成、超声波测距控制、采用红外光电传感器的寻 迹与控制、测光与追光 、人脸识别 、移动平台的伺服控 制等均取得较好效果 ，但物件识别的对象有一定限 制 ，视觉导航仍有大量工作尚待完成，作为“智能机器 人”的整体智能化程度有待进一步提高。 本文作者创新点 ：提出了一种基于分布式控制系 统，具有包括图像处理(人脸识别与物件识别、视觉导 航)、语音处理(语音识别与合成)在内的较高智能化 程度的机器人控制系统结构 ：设计并实现了基于 KL 和统计不相关最佳鉴别变换的人脸及物件识别新算 法，较好地解决了运算量和识别速度、识别准确率之 间的矛盾，有效提高了识别速度和准确率：提出并实 践了一种包括视觉导航、语音导航、寻线导航 、超声波 导航、光电导航以及运动规划导航等在内的综合策略 导航方式。实践证明，采用该方案后，智能机器人系统 具有较好的可靠性、开放性和鲁棒性。 参考文献： 【1】王常力，罗安．分布式控制系统(DCS)设计与应用实例fM】．北 京：电子工业出版社．2004． [2] Zhong Jind Y Yang,Z S Hu et a1．Face Recognition based on uncorrelated diseriminant transformation[J]． Pattern Recognition，2001，33(7)：1405-1416． [31 Microsoft，Microsoft Speech SDK 5．1 Documentation， http：／／download．microsoft．eom／download／SpeeehSDK／SDK／5．1／WXP／ EN-US／sapi．chin． 【4J贺伟，粱昔明．未知环境中移动机器人SLAM问题的研究进 展U】微计算机信息，2005，3：179—181(转 13页) 一 182—360~L，年 邮局订阅号：82-946 维普资讯 http://www.cqvip.com 嵌入式系统应用 nearby；火车经过探测器 A后，至少经过 300个单位时 间到达门的位置。火车到达 B时 发送通知open。然后 路El处的门打开，且门从完全关闭到完全打开的时间 为 100个单位时间；从完全打开到完全关闭的时间是 20个单位时间；探测器 E检测火车是否通过该路El， 若通过则发送消息 entered。After(100)后，火车才完全 通过铁道口的控制门。图3(b)描述了RCS系统的时间 表示。 仝二=二二：_L一．◆ l 轨道 l I ． 图3(a)：铁道交叉口 图3(b)：时间表示 图4：RCS的类图 接下来，使用模型模拟器对通过验证的模型进行 模拟执行．进一步地分析系统模型的实际执行情况。 图5描述了 RCS中的三个状态图的执行过程．模型模 拟器的界面的上半部分是状态图的当前执行状况，其 中红色状态表示系统 目前的活动状态．红色箭头表示 当前的状态转换：界面的下半部分是记录状态图的整 个执行过程的消息顺序图，该顺序图是根据系统状态 的执行过程而自动生成的。 5 结论 研究嵌入式软件开发平台的代表性工作主要有： 由德国Paderborn大学开发的Fujaba工具集 其主要 功能是实现 UML类图、状态图到代码的自动转换； Lilius等开发的 vUML用于将 UML状态图转换为验证 工具 SPIN的输入语言 Promela。从而实现状态图的模 型验证等；与已有的工作相比，本文作者主要创新点： EUP集成了 UML建模技术 、软构件技术、形式化模型 验证 、模拟和代码 自动生成技术。实现了在同一个开 发环境中进行嵌入式系统的模型编辑 、验证 、模拟及 代码的自动生成等。此外，EUP基于 MDA的框架，为 高效地开发高质量的嵌入式软件提供一种可行的途 径 。 l 立 生 生 罔5：RCS例子的模拟执行情况 参考文献： [1]Susanne Graf and Jozef Hooman，Correct Development of Em— bedded systems[C]，EWSA04，2004 [2]Anneke Kleppe，Jos Warmer，WimBast MDA Explained：The Model Driven Architecture：Practice and Promise，【M1 Addison Wesley，April 2003 f3】马正华；孙玉强；史海锋；王明斐，嵌入式多蕈识别智能门禁 系统的设计，微计算机信息。2005．12-2：4—5 作者简介：别文群 (1969一)，女，汉、硕士学位，讲师，丰 要研究方向：软件工程与管理信息系统 ；杜德慧 ， (1979一)。女 。汉 、博士生，主要研究方向：软件工程 、嵌 入式软件开发；曹虹华(1978一)，汉、男 ，博士生 ，主要 研究方向：软件工程、web service、工作流等。 (510300广州 广东轻工职业技术学院)别文群 (430072 武汉大学软件工程国家重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 )杜德 慧 曹虹华 (GuangDong Industry Technical College， Guangzhou，510300，China)Bie，Wenqun (State Key Laboratory for Software Engineering， Wuhan University，Wuhan，430072，China)Du，De· hui Cao，Honghua f投稿13期：2005 9．23) (修稿日期；2005．9．29) f接 182页)作者简介：邱寄帆(1965一)，男 ，四川I资阳 人，副教授。硕士，主要研究方向：计算机应用 、智能控 制、机器人技术等；ehioujf@163．con．王海春(1957一)， 男．四川绵阳人。副教授，硕士。主要研究方向：智能控 制、语音处理、嵌入式应用。 (6100021 四川成都航 空职业技术学 院计算机 系)邱 寄帆 王海春 (Department of Computer Engineering，Chengdu Aeroautic Vocational& Technical College．Chengdu． 610021，China)QiuJifan Wang，Haichun 通讯地址：(610021成都市二环路南一段 2O号成都航 空职业技术学院计算机工程系)邱寄帆 (投稿 日期：2005．3．21) (修稿 日期：2005．3．29) 豳蝴 帕 订阅号：82．946 360~L／-q-一13一 ～ ～一 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com