琚子晗， 白賀， 楊喜童

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150080）

0 引言

隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，探索機(jī)器人在各個(gè)方面都得到了廣泛運(yùn)用。智能探索機(jī)器人可以完成大部分的地形探索，在一些危險(xiǎn)地帶、地形崎嶇狹小的地帶，機(jī)器人完全可以代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)的探索任務(wù)，減少一系列安全問(wèn)題，提高探索工作的效率。

智能探索機(jī)器人可用于對(duì)未知環(huán)境的探索和研究，基于SLAM技術(shù)的探索機(jī)器人可用于導(dǎo)航和捕獲目標(biāo)[1]，采用六足仿生機(jī)器人制做的全地形智能探索機(jī)器人[2]，能滿(mǎn)足基本的探索任務(wù)需求。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器如控制系統(tǒng)的研究，可以基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)兩輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人[3]。環(huán)境建模和自主導(dǎo)航也屬于智能探索機(jī)器人研究課題，可以采用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)避障，并且采用卡爾曼濾波提高定位精度[4]。針對(duì)復(fù)雜地形給機(jī)器人帶來(lái)的機(jī)動(dòng)性和安全性問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]對(duì)全地形移動(dòng)機(jī)器人建模與控制研究做了全面綜述，并分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，特別是近年來(lái)所取得的最新成果，指出了目前存在的問(wèn)題及將來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。Freertos操作系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)使用的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以被用在各種微控制器上[7]，與RISC-V微控制器共同設(shè)計(jì)紅外耳溫測(cè)量系統(tǒng)[7]，與機(jī)電傳感器配合可組成人體輔助機(jī)械臂系統(tǒng)[8]，采用了多任務(wù)調(diào)度，并且系統(tǒng)中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立任務(wù)完成。也可用于與ARM芯片控制器組成智能搬運(yùn)小車(chē)[9]，根據(jù)需求也滿(mǎn)足了一定的搬運(yùn)任務(wù)。

本文系統(tǒng)基于Freertos低延時(shí)操作系統(tǒng)和ARM系列處理器，能實(shí)時(shí)獲取周邊環(huán)境信息，實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，具備遠(yuǎn)程控制功能。采用多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，并且任務(wù)流程規(guī)范，任務(wù)優(yōu)先級(jí)清晰分明。使得機(jī)器人系統(tǒng)變得任務(wù)多樣化，降低了多中斷帶來(lái)的死機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用ARM系列的單片機(jī)作為核心控制器，結(jié)合樹(shù)莓派作為運(yùn)算設(shè)備獲取視頻數(shù)據(jù)，采用Freertos操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)控制，通過(guò)4個(gè)單元對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，完成一系列的探索任務(wù)和需求。

圖1 智能探索機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)作單元主要由機(jī)械臂構(gòu)成，機(jī)械臂由舵機(jī)模塊構(gòu)成。傳感器單元由各種傳感器模塊組成，通過(guò)不同傳感器可以獲取不同信息。通信單元包括機(jī)器人上面各個(gè)硬件之間的通信及機(jī)器人與上位機(jī)終端的通信。底盤(pán)單元采用履帶底盤(pán)，加上減震機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)全地形的移動(dòng)，可以廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜地段。視頻數(shù)據(jù)通過(guò)樹(shù)莓派連接WiFi后內(nèi)網(wǎng)上傳到指定IP地址，上位機(jī)終端打開(kāi)IP地址即刻實(shí)時(shí)查看視頻數(shù)據(jù)。

在控制過(guò)程中，通過(guò)串口獲取遙控器控制數(shù)據(jù)，并且將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為底盤(pán)單元或者動(dòng)作單元的控制命令，機(jī)器人會(huì)根據(jù)命令來(lái)完成相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)傳感器任務(wù)會(huì)將當(dāng)前獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)濾波篩出有用信息，通過(guò)藍(lán)牙串口發(fā)送回上位機(jī)，從而完成多樣化的探索任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)采用ARM公司的STM32F427作為核心控制器，基于系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了機(jī)械臂和履帶底盤(pán)。配合一系列外設(shè)傳感器，無(wú)線傳輸模塊，完成基礎(chǔ)的機(jī)器人探索任務(wù)需求。并且通過(guò)機(jī)器人端運(yùn)算設(shè)備可以實(shí)時(shí)查看視頻數(shù)據(jù)。

2.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)環(huán)境需求組裝不同自由度的機(jī)械臂，同時(shí)具備一定的伸縮功能，如圖2所示。機(jī)械臂的抓取結(jié)構(gòu)為基于絲杠結(jié)構(gòu)的雙手爪，是一個(gè)可開(kāi)合結(jié)構(gòu)，兩機(jī)械爪結(jié)構(gòu)間有可伸縮鉆孔裝置，方便在完成探索任務(wù)的同時(shí)完成一定量的作業(yè)任務(wù)。

圖2 機(jī)械臂三維設(shè)計(jì)圖

2.2 履帶底盤(pán)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是基于適應(yīng)全地形的減震底盤(pán)（如圖3），包含支架、減震裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，履帶底盤(pán)可以廣泛適用于大部分陸地地形。減震裝置采用半扭桿式懸掛系統(tǒng)，通過(guò)輪組之間的拉簧，可以調(diào)整履帶傾角，有效減少地面崎嶇帶來(lái)的阻力，從而可以較好地越過(guò)障礙物。

圖3 履帶底盤(pán)減震機(jī)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Freertos系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

本系統(tǒng)在Freertos操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。Freertos操作系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)使用的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reertos支持沒(méi)有限制的任務(wù)數(shù)量和沒(méi)有限制的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，我們可以任意支配單片機(jī)外設(shè)的使用數(shù)量和該外設(shè)的重要程度，方便后期進(jìn)行執(zhí)行跟蹤和堆棧溢出檢測(cè)。在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)使用過(guò)程中，根據(jù)探索需求分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)需要設(shè)置一定的優(yōu)先級(jí)和堆棧資源，由操作系統(tǒng)來(lái)分配每個(gè)任務(wù)所需的系統(tǒng)資源，根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

3.2 任務(wù)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的基礎(chǔ)探索要求，設(shè)置了6個(gè)主要任務(wù)，及2個(gè)中斷任務(wù)，數(shù)據(jù)獲取任務(wù)和看門(mén)狗任務(wù)，系統(tǒng)總框圖如圖4所示。

在控制過(guò)程中，通過(guò)串口獲取遙控器控制數(shù)據(jù)，并且將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為底盤(pán)單元或者動(dòng)作單元的控制命令，機(jī)器人會(huì)根據(jù)命令來(lái)完成相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)傳感器任務(wù)會(huì)將當(dāng)前獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)濾波篩出有用信息，通過(guò)藍(lán)牙串口發(fā)送回上位機(jī)，從而完成多樣化的探索任務(wù)?？撮T(mén)狗任務(wù)主要是用于防止系統(tǒng)出現(xiàn)不可預(yù)料的問(wèn)題而死機(jī)，然后自動(dòng)復(fù)位重置系統(tǒng)。

3.3 任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配，堆?？臻g分配

在Freertos操作系統(tǒng)中，任務(wù)的堆棧空間是需要事先設(shè)置好的，然后系統(tǒng)統(tǒng)一在單片機(jī)資源中申請(qǐng)內(nèi)存，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)任務(wù)設(shè)置的堆棧大小分配?？臻g。根據(jù)函數(shù)調(diào)用量的大小、局部變量的多少及數(shù)據(jù)計(jì)算量的大小來(lái)給機(jī)器人系統(tǒng)中6個(gè)任務(wù)設(shè)置堆棧空間大小，最終分配情況如表1所示。

圖4 系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)圖

表1 Freertos系統(tǒng)任務(wù)堆?？臻g分配及優(yōu)先級(jí)分配

系統(tǒng)初始化任務(wù)是所有外設(shè)初始化和任務(wù)初始化必需的任務(wù)，并且為了不讓其受單片機(jī)資源干擾，任務(wù)會(huì)在臨界區(qū)中進(jìn)行。并且因?yàn)槌跏蓟蝿?wù)僅僅執(zhí)行一次，在執(zhí)行后需要用vTaskDelete函數(shù)刪除，因此給予最低的優(yōu)先級(jí)即可。

4 探索機(jī)器人行為功能設(shè)計(jì)

4.1 避障功能設(shè)計(jì)

根據(jù)被探測(cè)環(huán)境設(shè)置一定的障礙距離，放置在車(chē)身前方的3個(gè)傳感器數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)獲取與機(jī)器人向前探測(cè)到障礙的距離，如圖5所示。通過(guò)讀取機(jī)器人前身3個(gè)傳感器數(shù)值，與在主控中預(yù)設(shè)的障礙距離做比較，如果小于預(yù)設(shè)值就說(shuō)明前方有障礙，向檢測(cè)無(wú)障礙方向行駛。如果多個(gè)傳感器均小于預(yù)設(shè)值，說(shuō)明前方堵塞無(wú)法前進(jìn)，持續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器均反饋無(wú)障礙為止，再進(jìn)行探索。

圖5 避障三維模擬圖

核心代碼：

4.2 攝像頭與熱成像實(shí)時(shí)視頻

采用樹(shù)莓派作為機(jī)器人視頻數(shù)據(jù)獲取端。攝像頭與熱成像都通過(guò)提前寫(xiě)好的python程序在樹(shù)莓派中進(jìn)行調(diào)控，圖6為樹(shù)莓派獲取到的熱成像視頻數(shù)據(jù)，獲取的視頻可以通過(guò)vlc進(jìn)行播放。然后將vlc獲取的流媒體通過(guò)WiFi內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)串流，只要上位機(jī)終端與樹(shù)莓派處于同一WiFi網(wǎng)絡(luò)下，即可通過(guò)樹(shù)莓派的IP地址實(shí)時(shí)獲取到樹(shù)莓派連接的視頻數(shù)據(jù)。

圖6 熱成像視頻數(shù)據(jù)

4.3 探測(cè)數(shù)據(jù)分析與打包發(fā)送

機(jī)器人獲取到實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行一系列的濾波分析后通過(guò)藍(lán)牙串口來(lái)與上位機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，上位機(jī)會(huì)通過(guò)發(fā)送控制值來(lái)控制機(jī)器人，機(jī)器人會(huì)將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)打包遵循一定的格式，具體發(fā)送數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)打包格式規(guī)范

5 結(jié)論

人類(lèi)對(duì)于未知環(huán)境的探索需求日益增長(zhǎng)，基于ARM核心處理器和Freertos操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種智能探索機(jī)器人系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)了履帶底盤(pán)、機(jī)械臂等硬件設(shè)備，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)了基本的系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)。經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試和測(cè)試驗(yàn)證后，確定了本系統(tǒng)可以滿(mǎn)足一定的探索任務(wù)需求，并且在一定的數(shù)據(jù)干擾下仍然可以做到穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，任務(wù)堆棧不會(huì)溢出。本系統(tǒng)可用于各種未知地帶的考察探索，不僅可以在復(fù)雜的野外地形環(huán)境中保持工作，還可以代替人類(lèi)進(jìn)入一些危險(xiǎn)地帶完成一定的探索任務(wù)，為安全的環(huán)境考察提供了有效的解決辦法。