嵌入式技術在機器人智能化中的作用

機器人技術的發展從來就是與嵌入式系統的發展緊密聯系在一起的，機器人技術的研究就是嵌入式技術的應用，而

嵌入式

技術的發展必定促進機器人智能化水準。70年代中期以後，由于智能控制理論的發展和微處理器的出現，機器人逐漸成為研究的熱點，并且獲得了長足的發展。目前，嵌入式系統在機器人控制系統被廣泛采用。

主機闆定制

嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬體裝置、嵌入式軟體作業系統以及使用者的應用程式4大部分組成，用于實作對其他外部裝置控制以及網絡的資料交換等功能。針對于某種特定的應用需求，嵌入式系統嵌入到對象軟硬體體系中。

嵌入式系統與普通的PC 系統相比主要具有以下特點：

（1） 嵌入式系統功耗低，體積小，專用性強。嵌入式CPU 工作在為特定使用者群設計的系統中，能夠把PC 中許多闆卡完成的任務內建到晶片内部，有利于嵌入式系統設計的小型化。

（2） 嵌入式系統中的軟體一般固化在存儲晶片或單片機本身中，以提高實行速度與系統可靠性。硬軟體都必須高效設計，系統要精簡，對軟體代碼品質要求很高。作業系統一般和軟體內建在一起。

（3） 嵌入式系統開發需要專門的開發工具和開發環境。

嵌入式控制器越來越微型化、功能化。微型機器人、特種機器人等也獲得更大的發展機遇，無論從控制系統的結構還是機器人的智能程度方面都得到了很大的提高。以索尼的機器狗為代表的智能機器寵物是最典型的嵌入式機器人控制系統，除了能夠實作複雜的運動功能，它還具有圖像識别、語音處理等進階人機互動功能，它可以模仿動物的表情和運動行為。

火星車也是一個典型例子，這個價值10億美金的技術高度密集移動機器人，采用的是VxWorks 作業系統，它可以在不與地球聯系的情況下自主工作。下面從運動控制系統、遠端控制、視訊監控系統三個方面分析嵌入式系統在機器人中的應用情況。

運動控制系統

機器人的運動控制部分一般采用ARM 7來完成，主要是由于整個系統對實時性要求較高，利用ARM 7來專門控制伺服能更好的滿足要求。

ARM 7實作電機控制

圖是ARM 7實作電機控制的框圖，ARM 7通過序列槽接收資料，并根據定義好的序列槽相關通信協定對接收到的資料進行解析，得到各個電機的轉向以及運動圈數，進而控制電機的轉動，序列槽資料的接收是通過中斷的方式來實作的。一旦有資料到達，就産生一次中斷，在中斷服務程式中，新發送過來的資料将被儲存起來，并且設定标志位為真，用以通知主任務有新的資料到達，可以調用電機驅動程式來實作電機的運動。

遠端控制

遠端控制系統任何能連接配接上網際網路的地方的使用者，在遠端使用者端，OPENGL 仿真将預演使用者所輸入的機器人控制指令後機器人的運動軌迹，并且将機器人的運動軌迹做相應的反解，進而得到各個控制關節，即相應的電機的運動資料，這些資料通過網際網路傳送到近端控制中心ARM 9控制闆上，通過它轉發給實時控制闆ARM7，ARM7就控制伺服驅動器讓電機按預定的軌迹運動，進而實作機器人的遠端控制。

遠端使用者端一個重要的功能是能實時地觀看到機器人的運動姿态，是以一個視訊用戶端是必須的。基于伺服器／用戶端的模型，在ARM 9控制闆上運作着視訊伺服器，該視訊伺服器與帶USB 接口的攝像頭相連，攝像頭實時地采集并聯機器人的運動狀态，并将采集到的圖像編碼，ARM 9控制闆将經過編碼壓縮後圖像資料通過以太網傳送到遠端用戶端，遠端用戶端在接收到圖像資料後經過解碼、顯示進而形成視訊圖像，使用者也就可以觀測到機器人的運動狀态。

ARM 9控制闆是整個系統的核心，它扮演着系統的資料中心，控制中心的角色。一方面它将攝像頭采集到的視訊資料經過編碼後，通過以太網發送到遠端使用者端；另一方面它将它還需要負責将遠端使用者端傳送過來的控制指令解析并轉發給ARM 7控制闆并接收回報資訊。

ARM 9控制闆

上圖顯示了遠端指令的資料流向以及機器人的運動狀态回報給遠端使用者的資料流向。 遠端使用者通過人機互動界面将所要求機器人運動姿态位置的指令輸入到遠端PC 中，經過網絡傳輸到達ARM 9控制中心，ARM 9控制中心這裡扮演着近段調試模式中那個近端PC 的角色，在接收到遠端資料後經過資料處理後，控制其序列槽将序列槽資料包發送到ARM 7控制闆上，ARM 7控制闆接收到資料後解析資料并且驅動電機的伺服驅動器，進而實作對機器人地控制。

由于控制指令對準确性的要求以及現實的網路情況，目前多數采用TCP 協定來傳送控制指令。

視訊監控系統

圖顯示了視訊監控系統的總體架構，帶USB 接口的攝像頭連接配接到ARM 9（uclinux 作業系統）的嵌入式開發闆上，開發闆的以太網控制器連接配接到路由器上，路由器接入Interact ，監視平台是遠端一台連入Internet 的PC 機。

圖像資料由攝像頭采集，ARM 9通過USB 接口讀取其緩存中的資料，并對圖像資料進行壓縮編碼。然後基于socket 程式設計來傳送這些資料，将ARM 9作為server 端，一旦有client 端（監視平台） 與之連接配接，它将把壓縮後的資料發送過去。監視平台接收到資料後解碼，然後顯示在終端上。控制機關時間内圖像幀顯示次數就能形成流暢的動畫效果。

随着網絡技術的日益成熟，支援網絡功能的嵌入式産品将得到越來越廣泛的應用，這不僅将成為嵌入式系統發展的一個熱點，也将是機器人技術的一個研究熱點，基于嵌入式系統的機器人技術的未來的研究有以下幾點趨勢：

（1） 高內建度、低功耗、小型化。随着嵌入是系統的微型化、智能化，機器人将朝着高智能化、高內建度、小型化方向發展；

（2） 提供友善、快捷的人機界面。嵌入式系統被廣泛使用，主要原因是它的多媒體人機界面的友善、快捷，這将使機器人的操作更加友善快捷、人性化；

（3） 遠端控制必成為趨勢。

在嵌入式技術的支援以及多媒體網絡技術的支援下，對機器人進行遠端控制與監測将會成為現實，并且随着嵌入式系統以及多媒體網絡技術的進一步發展，機器人技術将會有着更廣闊的發展空間。