0  引言

智能機器人研究在當前機器人研究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器人工作、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。這些功能要求控制系統(tǒng)應具有較好的協(xié)調性、實時性和可靠性。針對智能機器人的上述功能特性，我們設計并實現(xiàn)了基于分布式控制系統(tǒng)的輪式智能機器人。

1  分布式控制系統(tǒng)

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)解決方案是采用分布式控制系統(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?。徊捎镁W絡通信技術，可根據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，網絡中的各節(jié)點都可根據總線訪問優(yōu)先權向總線發(fā)送數(shù)據，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

基于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。

           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。

        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)資源要求不高的基于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研究的活躍課題，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

本輪式機器人由輪式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

該智能機器人經反復實驗，已基本達到預期效果，大部分功能已經實現(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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