一种智能机器人系统设计和实现

文章摘要：2.2 语音视频采集模块因为机器人需要收集周围环境的信息，监听周围的情况，提供与图像信息同步的语音信息，以便控制人员准确地掌握周围所发生的情况，及时做出决策，所以设计了语音采集模块以完成此项功能。本设计采用了Philips公司的UDA1341TS芯片与微处理器S3C2410相连，提供了完整的语音录制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能够读取IIS总线上的数据，同时也为FIFO数据提供DMA的传输模式，这样能够同时传送和接收数据。在S3C2410处理器中，音频数据的传输可以使用两个DMA通道。如声音播放，先将数据送到内存，然后传到DMA控制器通道2,再通过IIS控制器写入IIS总线并传

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　　2.2 语音视频采集模块

　　因为机器人需要收集周围环境的信息，监听周围的情况，提供与图像信息同步的语音信息，以便控制人员准确地掌握周围所发生的情况，及时做出决策，所以设计了语音采集模块以完成此项功能。本设计采用了Philips公司的UDA1341TS芯片与微处理器S3C2410相连，提供了完整的语音录制和播放功能。S3C2410提供了IIS接口，能够读取IIS总线上的数据，同时也为FIFO数据提供DMA的传输模式，这样能够同时传送和接收数据。在S3C2410处理器中，音频数据的传输可以使用两个DMA通道。如声音播放，先将数据送到内存，然后传到DMA控制器通道2,再通过IIS控制器写入IIS总线并传输给音频芯片，而通道1则主要用于录音功能。

　　本系统采用基于CMOS图像传感器直接输出数字信号的方案设计视频采集模块。此方案具有模块简单、外围电路少、直接输出数字信号、不用经过中间转换就可以提供进一步的图像处理的诸多特点。本课题选用C3188A摄像头构成视频采集模块。C3188A是1/3″镜头的彩色数字输出的摄像头模块，摄像头芯片采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620.C3188A摄像头模块采用数字和模拟信号输出接口，并提供8/16的数据总线宽度，通过I2C串行通信协议，可以对OV7620内部的寄存器进行编程，如修改曝光率、白平衡、窗口大小、饱和度、色调和图像输出格式等。

　　2.3 电机驱动和电源模块

　　驱动部分是机器人的重要组成部分，它和电机组成机器人的执行机构，完成机器人行走运动。直流电机具有良好的线性调速特性、简单的控制功能、较高的效率、优异的动态特性，被广泛应用在控制系统中。本系统将采用4片L298N电机驱动芯片驱动8个直流电机，采用PWM调速原理控制直流电机达到控制机器人的速度。

　　为了消除电机运转对系统核心开发板SBC2410的干扰，从核心开发板的控制引脚输出的信号，经过16路光电耦合器（需4片TLP521-4）进行信号隔离，脉宽调制PWM控制光电耦合器的开关，以达到控制L298N驱动芯片的目的，并驱动电机按照所需的速度运转。

　　在电源方面，设计的系统电源主要供给核心控制板模块、电机驱动模块、人机交互模块所用的640?鄢480TFT/LCD显示器、视频采集模块、无线收发模块（预留扩展）和语音采集模块。系统最终选用12 V的电瓶供电，可直接给电机驱动芯片和LCD显示器供电。但由于系统模块多，所需电流大，所以在提供12 V转5 V电压时，选择开关电源芯片LM2576作为电压变换核心器件，它能承受最大3 A的电流输出。

　　3 智能机器人控制系统软件结构设计

　　机器人控制系统的实时性好坏对于整个机器人系统的性能极其重要，控制系统的实时性越强，机器人处理异常情况的能力越强。由于μC/OS-Ⅱ是一种源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统，所以本设计就采用μC/OS-Ⅱ提供多任务支持，再整合人机界面μC/GUI和底层驱动程序及应用程序等构建机器人软件控制系统，实现对整个机器人的实时控制，完成智能控制任务。

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　　3.1 控制系统总体软件结构

　　软件系统主要由应用软件、内核、系统服务、驱动程序等组成。其构成示意图如图2.

 

　　图2中硬件平台是指核心控制模块及其外围扩展模块，如视频采集模块、语音采集模块等；驱动程序是指系统对LCD、直流电机、摄像头模块、语音采集模块等程序；内核是指嵌入式操作系统，本系统采用的是μC/OS-Ⅱ操作系统；系统服务是指图形界面μC/GUI和文件系统等；应用程序是指为完成控制系统所规划的任务等程序。

　　3.2 基于μC/GUI的界面设计

　　μC/GUI是嵌入式应用中通用的图形软件，是为带LCD的图形应用系统提供高效的图形用户接口而设计的，它不依赖于处理器和LCD控制器。μC/GUI在多任务环境下工作与在单任务环境下工作性能同样卓越，任何尺寸大小的显示设备，不管是物理的或是虚拟的，只要具备LCD控制器和处理器，都可以运用μC/GUI.μC/GUI产品包中包含有所有的源代码。实际上，在所有的嵌入式图形用户接口中，μC/GUI提供的源代码是最整洁最统一的。μC/GUI提供的所有服务都以该模块相关的前缀开始（如：GUI,WM），这将易于理解应用程序中与μC/GUI相关的函数。同时，μC/GUI所有的服务都有很明晰的分类：GUI表示二维图形，GUI_AA表示反锯齿等。

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