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          基于分布式控制系統(tǒng)的輪式智能機器人研究

          作者: 時間:2012-02-06 來源:網(wǎng)絡 收藏

          0 引言

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/172189.htm

          在當前機領域具有十分突出的地位,其顯著的特點是具有環(huán)境感知、判斷決策、人機交互等功能。具體地說,應該具有可移動性,能根據(jù)命令或需要到達指定工作地點或區(qū)域;應具有圖像識別能力,可進行人臉識別、物件識別、視覺導航;具有語音識別與合成功能,可進行人機語音交互,包括用語音命令控制機工作、人機語音對話聊天、媒體(視頻、音頻)語音點播、語音信息查詢、文本語音播放等;具有超聲波測距與避障功能;具有軌跡跟蹤功能;具有測光與光源跟蹤功能等。這些功能要求應具有較好的協(xié)調性、實時性和可靠性。針對器人的上述功能特性,我們設計并實現(xiàn)了器人。

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          智能機器人的控制對象及功能較多,比較理想的控制系統(tǒng)解決方案是采用控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS),將控制功能在下位機分散,每個下位機完成一項特定功能,各下位機便可實現(xiàn)并行工作,這將大大提高整個系統(tǒng)的處理速度和能力。 DCS的核心思想是集中管理、分散控制[1],即管理與控制分離,上位機用于集中監(jiān)視管理功能,下位機分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制,各上下位機之間通過控制網(wǎng)絡互連以實現(xiàn)信息傳輸。顯然,采用DCS方案有如下明顯優(yōu)點:實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理,管理與現(xiàn)場分離,管理更能綜合化和系統(tǒng)化;實現(xiàn)分散控制,可使各功能模塊的設計、裝配、調試、維護獨立,系統(tǒng)控制的危險性分散,可靠性提高,投資減小;采用網(wǎng)絡通信技術,可根據(jù)需要增加以微處理器為核心的功能模塊,具有良好的系統(tǒng)開放性、擴展性和升級特性。

          CAN(Controller Area Network)總線[2]作為連接各上下位機之間的通信網(wǎng)絡,非常適用于分布式控制系統(tǒng),因為它具有許多優(yōu)點:CAN控制器工作于多主方式,網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權向總線發(fā)送數(shù)據(jù),通信方式靈活;CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響,因而具有突出的可靠性;CAN總線的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn),從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度,縮短了開發(fā)周期;CAN總線結構簡單,只有兩根信號線,掛接在總線上的設備可方便地增減,因而具有優(yōu)良的擴展性;此外,CAN總線還有傳輸速率高、實時性強、開放性好、成本低等特點。

          2 控制系統(tǒng)的結構

          CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的上位機由主控計算機及所屬的語音和圖像處理單元構成,下位機則是由以1至5號單片機為核心的功能模塊所組成,它們分別是移動平臺伺服控制器模塊、測距控制器模塊、尋跡控制器模塊、測光控制器模塊、系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊,控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

          由圖可見,這是一個典型的分布式控制系統(tǒng)結構。各功能模塊單元電路在邏輯上相對獨立,每個模塊都是一個以自己的處理器(單片機)為核心的功能完整的子系統(tǒng),且完成一項特定的功能,各單元均通過CAN控制器和CAN驅動器與CAN總線相連,實現(xiàn)與上位機及其它功能模塊之間的信息傳輸。系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊除和CAN總線相連外,還有一組狀態(tài)線和控制線分別與其它各功能模塊相連,一方面,該功能模塊要通過狀態(tài)線實時監(jiān)測其它功能電路的工作狀態(tài),另一方面,還要根據(jù)主控計算機的控制決策或突發(fā)事件(如電路故障報警)通過控制線對相應電路模塊進行實時控制(系統(tǒng)復位、切斷或接通電源等),以完成系統(tǒng)監(jiān)控功能。

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          圖1 控制系統(tǒng)結構圖

          3 智能機器人的結構及功能模塊

          3.1 主控計算機

          主控計算機是分布式控制系統(tǒng)的上位機,主要用于人機語音交互、系統(tǒng)管理、控制決策、任務調度、圖像識別與處理等。主控計算機軟硬件結構圖如圖2所示。

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          圖2 主控計算機軟硬件結構圖

          功能完善的語音識別與合成、圖像處理等系統(tǒng)往往比較龐大,需要操作系統(tǒng)和其它相關軟件資源作支撐,又由于這些信息的處理運算量大,因此,這幾項功能的實現(xiàn)以及分布式控制系統(tǒng)中的主控計算機須由一臺高性能PC機承擔。故上位機不僅具備系統(tǒng)管理、控制決策及任務調度等功能,還同相關設備或部件(CCD、圖像采集卡、聲卡、音頻功放、調頻發(fā)射與接收機等)一起組成語音識別單元、圖像識別單元、語音合成單元等功能單元。

          3.1.1 語音控制臺

          人是機器人的最高決策者和命令下達者,對我們設計的這款機器人下達任何命令均通過語音控制臺(手持式微型無線調頻話筒)以語音方式實現(xiàn)。這種方式降低了人對機器人的操控難度,使之變得友好、自然,實現(xiàn)了真正意義下的人機對話。

          3.1.2 語音識別單元

          語音識別是本機器人的關鍵技術之一。針對不同的應用目的和平臺,語音識別有多種實現(xiàn)途徑,如用于語音玩具的只能識別較少數(shù)量孤立單詞的簡易專用語音識別芯片;面向嵌入式系統(tǒng)或設備,對系統(tǒng)資源要求不高的DSP或其它MCU的語音識別模塊;支持多服務器和分布式語音識別的解決方案;基于PC環(huán)境的語音識別系統(tǒng)等。

          由于語音識別是人機交互的關鍵,因此,本系統(tǒng)宜采用面向PC平臺、功能強大、性能優(yōu)異的具有連續(xù)語音識別能力的軟件,如比較成熟的IBM ViaVoice SDK,以及中科院自動化所推出的基于PC平臺的Pattek ASR/P2.0 SDK,這兩個產品都具有許多共同特點,如識別率高,對環(huán)境噪聲和口音的適應能力強;具有非特定人語音識別功能,適合不同性別和口音的普通話;接口豐富,便于二次開發(fā),可有效縮短開發(fā)周期;抗干擾能力強;詞表替換方便,且不需要重新采集語音數(shù)據(jù)訓練模型等。

          3.1.3 圖像處理單元

          本智能機器人的圖像處理單元可實現(xiàn)人臉識別、物件識別與視覺導航。機器人視覺是近年來人工智能的活躍課題,也是我們本次機器人研究的重要子課題。一個優(yōu)秀的人臉及物件目標自動識別系統(tǒng)應具有訓練時間短,識別速度快,識別準確率高等特點,因此,算法的研究通?;谶@幾個特點展開。典型的KL算法在提取圖像的代數(shù)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;雖然統(tǒng)計不相關最佳鑒別變換擁有很好的分類效果,但如果直接利用圖像向量構造圖像散布矩陣運算量又會太大,導致識別速度降低。

          在經(jīng)典代數(shù)特征提取方法基礎上,我們設計并實現(xiàn)了基于KL和統(tǒng)計不相關最佳鑒別變換的人臉及物件識別算法,較好地解決了運算量和識別速度、識別準確率之間的矛盾。實際應用表明,這套人臉及物件自動識別系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、識別速度快、識別準確率高等優(yōu)點。

          我們將改進后的算法在計算機上實現(xiàn),并使用最小距離分類器進行識別測試,最終結果表明:訓練時間明顯減少,訓練200幅圖像的時間小于80秒,訓練全部400幅圖像的時間小于480秒;識別速度均在1秒之內,有較大提高;識別正確率提高,平均正確識別率明顯高于單獨的KL和統(tǒng)計不相關最佳鑒別變換方法,可達92%以上。

          圖像處理單元還有一個重要功能,即用于視覺導航。視覺導航是近年來發(fā)展起來的一種先進導航技術,然而,視覺導航是一個十分具有挑戰(zhàn)性的復雜課題,實現(xiàn)該項技術具有很高的難度。其中一種方案是視覺導航系統(tǒng)通過識別路徑引導線或標志信息為機器人提供視覺導航,在這種方案中,路徑識別是視覺導航的關鍵。具體思路是:系統(tǒng)通過邊緣檢測法檢測路徑引導線,并計算自身相對于引導路徑的位姿值,從而進行導航控制。

          3.1.4 語音合成單元

          要實現(xiàn)人機語音交互,機器人除應具備能聽懂人的自然語言的語音識別系統(tǒng)(Speech Recognition,SR)外,還應具備能開口說話的語音合成系統(tǒng)(Speech Synthesis,SS)。TTS(Text-to-Speech)即文語轉換,是將文字信息轉換成語音的一種技術。實現(xiàn)TTS的核心技術很復雜,然而,為幫助軟件開發(fā)者開發(fā)語音軟件,微軟公司提供了支持中文文本的識別和合成語音引擎Microsoft Speech SDK 5.1,利用該引擎,我們可輕松實現(xiàn)TTS,創(chuàng)建具有TTS功能的應用程序。

          3.2 移動平臺伺服控制器

          機器人由移動平臺和平臺上的機器人頭部組成。機器人頭部安裝有一部帶有控制云臺的攝像機、一對全頻音箱、4個超聲波傳感器、8只光敏傳感器等零部件,而主控計算機、各功能模塊電路板、電池組、調頻接收機、音頻放大器、紅外光電傳感器等零部件則安裝在移動平臺上。輪式移動平臺采用3組正交輪驅動,具有3個自由度,可實現(xiàn)仿人靈活移動。如圖1所示,由移動平臺伺服控制器、PWM放大器、驅動電機和增量式光電碼盤構成速度閉環(huán)控制。

          3.3 測距控制器

          在機器人頭部裝有4個超聲波傳感器,用于檢測四個方向的障礙物信息,以實現(xiàn)測距與避障功能。傳感器的有效檢測距離在0.3m至5m之間,誤差小于5cm。

          3.4 尋跡控制器

          5只用于尋跡的紅外光電傳感器置于機器人正前方,方向朝下,呈對稱分布,用于檢測地面的路線軌跡。

          本機器人有多種導航方式。第一種是在其運動路徑上設置導航信息媒體,由傳感器檢測導航信息的特性,控制機器人按規(guī)定的路線行駛的外導式[3],本機器人利用CCD進行路徑識別的視覺導航、利用紅外光電傳感器檢測地面的路線軌跡進行導航、利用超聲波傳感器進行的導航、利用光敏傳感器進行的導航等導航方式均屬于外導式。第二種是內導式,即按運動規(guī)劃或預先設定的運動路徑行駛的導航方式。

          3.5 測光控制器

          安裝在機器人頭部,彼此呈45度角的8只光敏傳感器,連同對應的8路A/D轉換器和測光控制器,構成測光單元,用于檢測或追蹤光源。在光敏傳感器和測光控制器之間加入A/D轉換器,可精確檢測不同方位的光強度。

          3.6 系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理

          系統(tǒng)監(jiān)控與電源管理模塊負責對整個控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)實施監(jiān)控和管理。該模塊具備以下功能:當某一電路或功能模塊發(fā)生故障時,由該模塊向主控計算機和其它模塊發(fā)出報警信息,并將該模塊復位,復位后若故障消失,則解除警報,否則關閉該模塊,并通知其它電路停止與該模塊通信;實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),當某些功能電路暫不工作時,關閉其電源,以節(jié)約機載電能。

          4 結語

          該智能機器人經(jīng)反復實驗,已基本達到預期效果,大部分功能已經(jīng)實現(xiàn)。其中,語音識別與控制、語音合成、超聲波測距控制、采用紅外光電傳感器的尋跡與控制、測光與追光、人臉識別、移動平臺的伺服控制等均取得較好效果,但物件識別的對象有一定限制,視覺導航仍有大量工作尚待完成,作為“智能機器人”的整體智能化程度有待進一步提高。

          本文作者創(chuàng)新點:提出了一種基于分布式控制系統(tǒng),具有包括圖像處理(人臉識別與物件識別、視覺導航)、語音處理(語音識別與合成)在內的較高智能化程度的機器人控制系統(tǒng)結構;設計并實現(xiàn)了基于KL和統(tǒng)計不相關最佳鑒別變換的人臉及物件識別新算法,較好地解決了運算量和識別速度、識別準確率之間的矛盾,有效提高了識別速度和準確率;提出并實踐了一種包括視覺導航、語音導航、尋線導航、超聲波導航、光電導航以及運動規(guī)劃導航等在內的綜合策略導航方式。實踐證明,采用該方案后,智能機器人系統(tǒng)具有較好的可靠性、開放性和魯棒性。

          參考文獻:
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