嵌入式Linux移動機(jī)器人控制系統(tǒng)

以嵌入式Linux開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)模糊控制算法進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃，同時將兩自由度云臺和超聲波測距模塊相結(jié)合，擴(kuò)大了障礙物檢測范圍。根據(jù)測試，移動機(jī)器人可以根據(jù)操作人員的語音指令，實現(xiàn)前進(jìn)、后退、測量距離等動作，并通過MP3播放功能播放出所測量到的距離值和機(jī)器人當(dāng)前的運行狀態(tài)。在運行過程中，機(jī)器人可以自動檢測方位并修正，實現(xiàn)無碰撞行駛。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的需要，移動機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，正在滲透到各行各業(yè)中，使人們的生活更加便利?，F(xiàn)今以單片機(jī)為核心的移動機(jī)器人存在處理數(shù)據(jù)量有限、控制系統(tǒng)速度低、人機(jī)交互機(jī)制單一等缺點，不能滿足機(jī)器人多任務(wù)的要求。系統(tǒng)中增加協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用，雖然可以管理多種傳感器，但這種結(jié)構(gòu)卻增加了硬件的冗余度和復(fù)雜度

移動機(jī)器人屬于能夠自動執(zhí)行工作任務(wù)的機(jī)器，不但能夠按照事先編譯的程序運行，同時人類還可對其指揮。當(dāng)前主要被運用在生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)以及航空航天領(lǐng)域，而該領(lǐng)域的發(fā)展情況直接關(guān)系到國家綜合實力的提升速度，對此加強(qiáng)對移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，以及未來發(fā)展方向的研究勢在必行。?

國內(nèi)外常見的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)??

相對于國內(nèi)在移動機(jī)器人的研究狀況，能夠看出國外在該領(lǐng)域的研究是較早的，其中具有代表性的有Saphira、TeamBots以及ISR。而在國內(nèi)方面，代表性的有OSMOR、ZJMR以及Agent。下面，便對較為常用的控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹：??

1.1?國外移動機(jī)器人控制系統(tǒng)????

1.1.1?Saphira控制系統(tǒng)??

Saphira控制系統(tǒng)是移動機(jī)器人領(lǐng)域中最早的系統(tǒng)，是有SRI國際人工智能中心在1990年所研發(fā)的，此系統(tǒng)是基于本地感知空間的共享內(nèi)存與黑板，來實現(xiàn)協(xié)調(diào)與通信進(jìn)程。由于Saphira是采用C語言來進(jìn)行開發(fā)的，同時支持Windows與Unix系統(tǒng)，因此具有文檔資料相對完整、系統(tǒng)資源占用少等特征。但是需注意的是，由于Saphira系統(tǒng)在定位方面無法達(dá)到當(dāng)前的實際需求，因此運用是相對較少的。???

1.1.2?TeamBots控制系統(tǒng)??

本系統(tǒng)是基于Java包與Java應(yīng)用程序而構(gòu)建的，經(jīng)過20余年的發(fā)展后，此系統(tǒng)截止到目前已經(jīng)被運用到多種類型的機(jī)器人平臺當(dāng)中。除此之外，在適用的操作系統(tǒng)方面，其中具有代表性的有Windows、MacOS以及Linux等，因此其運用的范圍是更加廣泛的。???

1.1.3?ISR控制系統(tǒng)??

ISR是基于行為的控制模式，其中是有任務(wù)執(zhí)行層、反映層以及推理層所構(gòu)成的，是有CAS研究中心所研發(fā)的。其中，任務(wù)執(zhí)行層的作用是執(zhí)行推理層所傳輸?shù)闹噶?；反映層其中包含資源、控制器以及行為；推理層的功能是根據(jù)用戶的指令來對決策進(jìn)行制定。此外，ISR控制系統(tǒng)僅能夠在Linux中進(jìn)行操作，并且沒有公開化使用。???

1.2?國內(nèi)移動機(jī)器人控制系統(tǒng)??

OSMOR是我國首個機(jī)器人系統(tǒng)，此系統(tǒng)在傳感器處理方面具有明顯的優(yōu)勢，并且為了能夠防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性與傳感器多樣性的影響，本控制系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)的處理劃分為單獨結(jié)構(gòu)當(dāng)中。但是需注意的是，OSMOR屬于沈陽自動化研究所的實驗室自主開發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)，因此被沒有得到廣泛的運用。??

與此同時，我國各個高校也加大了對移動機(jī)器人的研究力度。其中，浙江大學(xué)構(gòu)建了ZJMR系統(tǒng)；中南大學(xué)研究了室外自主導(dǎo)航系統(tǒng)；南京理工大學(xué)經(jīng)過研究后，提出了Agent系統(tǒng)。河海大學(xué)提出了集控式足球機(jī)器人系統(tǒng)；東北大學(xué)研發(fā)了基于自主式足球機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)；清華大學(xué)是基于多機(jī)器人協(xié)作的層面為核心，并構(gòu)建了系統(tǒng)框架，由于此框架不夠成熟，因此并沒有運用到市場中。???

基于嵌入式Linux的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)選用兩輪獨立驅(qū)動小車為移動式機(jī)器人平臺，后輪為一個尼龍萬向輪。處理器為三星公司的S3C2440，系統(tǒng)主頻最高可達(dá)533 MHz，外接512 MB的NAND Flash和64 MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，滿足移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

整個控制系統(tǒng)工作過程如下：語音識別芯片LD3320通過SPI總線接口接人ARM 處理器，處理器可以對識別的結(jié)果進(jìn)行分析和匯總，并通過查表提取出操作人員的命令碼；同時，處理器通過串口讀取機(jī)器人當(dāng)前的航向信息；超聲波測距和紅外線地面檢測模塊由處理器的GPIO 引腳控制；通過控制兩自由度的云臺，可以進(jìn)行多方位的超聲波障礙物檢測，利用LD3320模塊的MP3播放功能播放所檢測到的障礙物距離和路況信息。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)和所識別的操作人員的命令碼，利用信息融合技術(shù)提取環(huán)境特征，通過路徑規(guī)劃技術(shù)作出決策，控制電機(jī)狀態(tài)，最終控制機(jī)器人的姿態(tài)。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，將系統(tǒng)中所有要處理的任務(wù)劃分為不同的、相互獨立的任務(wù)模塊。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，可將任務(wù)劃分為：語音識別、航向測量與計算、超聲波測距、電機(jī)控制、信息處理等任務(wù)。

2.1 進(jìn)程的創(chuàng)建與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

移動機(jī)器人控制系統(tǒng)在初始化完成后，利用系統(tǒng)調(diào)用fock機(jī)制分別為語音識別、航向測量與計算和超聲波測距等任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的子進(jìn)程，實現(xiàn)方式如圖2所示。進(jìn)程創(chuàng)建成功后，操作系統(tǒng)會根據(jù)調(diào)度算法進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，這使系統(tǒng)在行駛過程中，能夠及時響應(yīng)語音命令。

圖2 系統(tǒng)多進(jìn)程設(shè)計的實現(xiàn)方式

2.2 進(jìn)程間通信機(jī)制

在信息處理進(jìn)程中，需要對不同任務(wù)返回的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理和融合。由于不同進(jìn)程的數(shù)據(jù)段、堆棧段是相互隔離的，因此，采用共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信方式，在程序中可以使用shmget從系統(tǒng)中取出一塊未使用的物理內(nèi)存并映射到用戶空間，如圖3所示。

圖3 共享內(nèi)存機(jī)制示意圖 在兩個進(jìn)程之間建立共享內(nèi)存的具體實現(xiàn)步驟如下：

① 在調(diào)用fock（）前，使用shmget創(chuàng)建新的共享內(nèi)存，返回值為共享內(nèi)存標(biāo)識碼：

shmid = shmget（IPC_PRIVATE，1，PERM）

//申請一個字節(jié)共享內(nèi)存

② 調(diào)用fock（）函數(shù)，創(chuàng)建子進(jìn)程，根據(jù)fock（）的返回值區(qū)分父進(jìn)程和子進(jìn)程，并分別在兩個進(jìn)程中使用shmat映射一塊共享內(nèi)存，即允許當(dāng)前進(jìn)程訪問創(chuàng)建的共享內(nèi)存：

if（fock（）） p_addr= shmat（shmid，0，0）；

//將共享內(nèi)存映射到父進(jìn)程

else{c_addr=shmat（shmid，0，0）；}//將共享內(nèi)存映射到子進(jìn)程

其中，shmid為shmget（）函數(shù)的返回值，即共享內(nèi)存標(biāo)識碼。

從用戶的角度看，在父進(jìn)程中可以對p_addr進(jìn)行讀寫操作，實際訪問的是申請的共享內(nèi)存。子進(jìn)程則可以對c_addr進(jìn)行讀寫，從而實現(xiàn)兩個進(jìn)程間的通信。共享內(nèi)存的映射和進(jìn)程之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 進(jìn)程和共享內(nèi)存映射關(guān)系

2.3 系統(tǒng)控制流程

在程序初始化完成后，為每項任務(wù)創(chuàng)建了相應(yīng)的進(jìn)程，并建立了共享內(nèi)存，如圖5所示。在每個進(jìn)程中采用循環(huán)執(zhí)行方式，語音識別進(jìn)程中利用select函數(shù)監(jiān)控是否有識別結(jié)果輸出，并將識別結(jié)果寫入到相應(yīng)的共享內(nèi)存區(qū)。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖

航向測量和計算進(jìn)程循環(huán)讀取陀螺儀的角度信息并存儲。超聲波測距進(jìn)程在接收到信息處理進(jìn)程的控制命令后進(jìn)行測距并將數(shù)據(jù)返回至信息處理進(jìn)程。信息處理進(jìn)程融合了多傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的路徑規(guī)劃方案，將控制信息傳輸?shù)?a target="_blank">電機(jī)控制進(jìn)程，實現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整。

2.4 語音識別

在系統(tǒng)運行過程中，語音識別進(jìn)程獨立完成對語音模塊的初始化和讀取識別結(jié)果的任務(wù)，因此，能夠及時響應(yīng)操作人員發(fā)出的語音指令。程序中使用了select（）函數(shù)監(jiān)控read（）是否可讀。當(dāng)語音識別模塊LD3320有識別結(jié)果時，將在中斷引腳輸出高電平以觸發(fā)系統(tǒng)中斷，結(jié)束驅(qū)動程序中的等待狀態(tài)，同時應(yīng)用程序可以通過read（）函數(shù)讀取LD332O的識別結(jié)果，并寫入到相應(yīng)共享內(nèi)存區(qū)M中。在沒有中斷時，read（）函數(shù)將被阻塞，如圖6所示。

圖6 語音識別進(jìn)程流程圖

使用select機(jī)制監(jiān)控是否語音識別結(jié)果，在超出等待時間后，會退出等待并重新初始化語音模塊LD3320，釋放公共資源，這樣也使得系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)LD332O的MP3播放功能，避免了在長時間沒有語音識別結(jié)果時，系統(tǒng)進(jìn)入卡死狀態(tài)。

2.5 航向測量

為了使移動機(jī)器人能夠沿指定的方向行駛并能修正由外界干擾因素產(chǎn)生的航向偏差，系統(tǒng)采用陀螺儀航向測量模塊MPU - 6050，該模塊將其測量的模擬量轉(zhuǎn)換為可輸出的數(shù)字量，并通過串口發(fā)送到S3C2440.系統(tǒng)通過read（fd_uartl，bur，10）函數(shù)讀取相應(yīng)串El，得到航向數(shù)據(jù)并寫人到共享內(nèi)存區(qū)S中。

2.6 超聲波測距

本系統(tǒng)采用渡越時間法，超聲波測距模塊在收到發(fā)射控制信號時，換能器將發(fā)出40 kHz的連續(xù)脈沖信號。接收器的輸出高電平時間和距離成正比，同時觸發(fā)處理器的中斷，上升沿中斷開啟定時器，下降沿關(guān)閉定時器，利用處理器內(nèi)部的定時器1測量出輸出信號的高電平的持續(xù)時間△T，經(jīng)過式（1）的計算，可得到檢測距離S： S- V × △T/2 （1） 式中，V 為超聲波的傳播速度，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s.程序中根據(jù)所編寫的驅(qū)動程序，使用ioctl（fd_chao，SEND_BEGIN）、ioctl（fd_chao，SEND_STOP）控制GPIO以實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和停止。系統(tǒng)中對某個方向連續(xù)測量5次，進(jìn)行中值濾波并將濾波后數(shù)據(jù)傳遞到信息處理進(jìn)程。

2.7 電機(jī)控制

移動平臺中采用L298驅(qū)動直流減速電機(jī)，平臺尚未安裝速度反饋單元，簡化了控制模式。程序通過ioctl（）控制L298以實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止操作。

在電機(jī)驅(qū)動程序中定義了相應(yīng)GPIO的輸入/輸出方式：ioctl（fd，TURN_LEFT）中，fd為驅(qū)動程序的文件描述符；TURN_LEFT 是命令掩碼CMD，驅(qū)動程序根據(jù)命令掩碼CMD對相應(yīng)的GPIO賦值以控制L298的狀態(tài)。

3 路徑規(guī)劃和避障算法

根據(jù)模糊邏輯法，移動平臺能夠在不確定環(huán)境中實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃和避障。

3.1 輸入輸出變量的模糊化

在路徑規(guī)劃過程中，信息分析模塊的輸入量為移動平臺的行駛方向信息、與障礙物之間的相對位移信息；輸出量為移動平臺的旋轉(zhuǎn)角度和平動位移信息。

① 定義移動平臺與左側(cè)障礙物的距離為DL、與右側(cè)障礙物的距離為DR、前方障礙物的距離為DF.模糊子集定義為{S，M，B}，分別表示小、中、大，相應(yīng)的距離隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖7 距離隸屬度函數(shù)

② 定義移動平臺和目標(biāo)點之間夾角為了，模糊子集定義為{LB，LS，Z，RS，RB}，分別表示左大、左小、零、有小和右大。相應(yīng)的角度隸屬度函數(shù)如圖8所示。

③ 移動平臺的旋轉(zhuǎn)角度φ的模糊子集定義為{TIB，TLS，TZ，TRS，TRB}。分別表示左轉(zhuǎn)大、左轉(zhuǎn)小、不旋轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)小、右轉(zhuǎn)大，相應(yīng)的輸出隸屬度函數(shù)如圖9所示。

3.2 建立模糊控制規(guī)則

在移動機(jī)器人遠(yuǎn)離障礙物或不存在障礙物的情況下，依據(jù)移動平臺的行駛軌跡，可以先對行駛方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測到障礙物接近移動平臺時，移動平臺應(yīng)改變行駛軌跡，避免發(fā)生碰撞。移動平臺的部分模糊控制規(guī)則如表1所列。

圖8 角度隸屬度函數(shù)

圖9 輸出隸屬度函數(shù)

表1 模糊控制規(guī)則

3.3 模糊推理和解模糊化

根據(jù)距離隸屬度函數(shù)，將超聲波測量得到的不同方位的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模糊邏輯狀態(tài)，再查找模糊控制規(guī)則，查表得到相應(yīng)的輸出模糊量。

解模糊化是輸出模糊量映射到動作行為的過程。模糊控制器對移動平臺的動作進(jìn)行了分解并編碼，將復(fù)雜的動作分解為一系列簡單動作的疊加，使得每一個輸出模糊量對應(yīng)一套動作。

例如在檢測到前方有障礙物并確定左轉(zhuǎn)時，可以將機(jī)器人動作分解為：后退（左轉(zhuǎn)，即先后退，再左轉(zhuǎn)。這樣可以減小機(jī)器人觸碰到前方障礙物的概率。

4 實驗測試

使用menuconfig命令為嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核配置添加相應(yīng)驅(qū)動程序后，進(jìn)行make編譯生產(chǎn)zImage文件。啟動移動機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)入BIOS模式，將配置好的內(nèi)核通過Supervivi工具燒寫到NAND Flash.在系統(tǒng)啟動后，配置Linux目錄中的/etc/init.d文件，使系統(tǒng)啟動后，自動運行所設(shè)計的程序。

如果系統(tǒng)初始化正常，將聽到由語音模塊發(fā)出的提示聲：“校準(zhǔn)完成”。此時，操作人員可以下達(dá)“前進(jìn)”、“后退”或“測距”等設(shè)計好的語音指令，機(jī)器人將按照操作人員的指令完成相應(yīng)的動作，還可以通過語音模塊播放出測量到的距離。

結(jié)語

系統(tǒng)利用了Linux系統(tǒng)支持多任務(wù)和可裁剪的特點，結(jié)合處理器豐富的接口資源，實現(xiàn)了多方位超聲波測距、電機(jī)控制等功能，通過對多傳感器信息的融合和分析，為模糊邏輯法進(jìn)行路徑規(guī)劃提供了判斷依據(jù)。語音識別功能使得機(jī)器人和操作人員之間的人機(jī)交互變得更靈活方便。在此基礎(chǔ)上，可以利用Linux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為進(jìn)一步研究服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人與機(jī)器人通信等提供了一種方案。