地面移动机器人平台
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地面移动机器人平台
王立威 宋章军
摘 要 本文提出一种扩展性强，配置灵活，应用范围广泛的通用型地面移动机器人平台系统结构，论文首先从机械结 构、硬件结构、软件结构三个方面详细叙述了这种移动机器人平台系统的组成，然后以认知技术室开发的监控机器人为实 例给出了这种系统结构的一个具体实施方案，最后说明该平台所具有的产业化前景以及产业化思路。
关键词 地面移动机器人；系统结构
近10年来，地面移动机器人平台(以下简称地 面移动平台)在许多领域都得到了运用：用于家庭的 家用服务机器人、扫地机器人；用于教学的寓教于 乐机器人；用于科学考察的探测机器人；用于军事 领域的武装军用机器人、侦察机器人；用于公共安 全的反恐机器人；用于医院、机房的温度巡检机器 人；用于空调通风管道清洁的风管清扫机器人；用 于工厂物流的AGV(自动搬运机器人)。以上所列举 的其实都是地面移动机器人平台在不同领域的应用 实例。
虽然目前地面移动机器人平台在诸多领域已有 实际应用，但它所具有的制造成本较高、研发周期 较长、产品价格昂贵、产品可扩展性较差等特点严 重制约了它的进一步发展与应用。本文所提出的地 面移动平台由具有标准接口的软件、硬件、机械模 块构成，用户可以按照自己的实际需要，选择各种 标准化模块来搭建自己的移动机器人系统，该平台 具有成本较低、研发周期短、产品可扩展性、可升 级性强等特点。
1 地面移动机器人平台的系统结构
地面移动平台由机械结构、硬件系统、软件系 统三部分组成。
1.1 机械结构
平台的机械结构部分主要包括机器人移动底 盘、执行机构等模块，其中移动底盘分为三类：轮 式移动底盘，履带移动底盘，足式移动底盘。轮式 移动底盘最为常用，其具有结构简单、运动灵活、
移动速度快等突出优点；履带移动底盘具有越障碍 能力强，适合野外的复杂环境；足式移动底盘结构 比较复杂，但在特殊的环境下具有优于轮式与履带
式移动底盘的运动能力。
执行机构主要包括用于不同用途的机械手，执 行机构可以方便的安装在不同的移动底盘上，可实 现不同用途移动机器人各种功能。
1.2 系统硬件构成
硬件系统主要由三个部分组成，如下图所示：
图1 硬件结构框图
处于顶层的是高速设备采集与处理层、第二层 是低速设备管理与数据采集层、第三层包括电机的 驱动器模块、机械手的驱动器模块、传感器模块。
高速设备采集与处理层运行机器人的核心控制 程序，这里所指的高速设备包括图像采集设备、以 太网络设备、显示设备等数据传输速率比较高的设 备。该层对摄像头获取的图像信息、通过传感器获 取的环境信息进行融合、处理，并发送控制指令控 制机器人的各种执行装置运动，同时还可以通过无 线以太网将图像或数据发送到控制终端，或者与别 的机器人与PC进行信息交互。该层的核心是高性能 的处理器，同时也提供了多包括：VGA显示接口、
有线以太网接口、USB接口、存储卡接口。因此该层
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Vol. 3 No.7 / Jul. 2009 实际上也是一个高性能的嵌入式计算机系统(可以是
Arm架构、是X86架构、Arm + DSP架构)。
第二层是低速设备管理与数据采集层。这一层 具有两个功能：第一个功能是将处于第三层的各种 传感器所采集到的数据传给第一层；第二个功能是 将第一层产生的控制命令发送到第三层的电机控制 模块以及其他的执行模块执行。这一层的控制软件 对数据传输过程进行管理，保障传感器数据以及对 执行模块的控制命令能够及时地、准确地传输。该 层的核心也是一个嵌入式处理器，它使用USB接口与 RS232接口与第一层进行通讯，同时提供三种串型总 线(CAN、RS485、I2C)与第三层的各种设备交换数 据。
第三层包括各种低速设备控制器，下面列举了 四类最典型的设备控制器，一是在机器人移动底盘 上使用的电机控制器，包括直流有刷电机控制器、
直流无刷电机控制器；二是机械手控制器；三是各 种传感器设备控制器，最常使用到的传感器包括：
超声波测距传感器、红外避障传感器、激光测距 仪、温度传感器、气体浓度传感器、罗盘传感器、
GPS定位系统、图像传感器、光电传感器、接触传感 器、声音传感器等等。第四类是低速的无线通讯设 备。这些低速的设备控制器只要具有上述三种总线 之一，并且其软件上符合系统提供的通讯协议，就 可以安装到移动平台上使用，用户可以根据实际机 器人的功能需要来进行选择。
1.3 系统软件构成
移动平台的软件部分主要由四个层次组成，如 下图所示：
图2 软件结构框图
最底层(第四层)是各种低速设备的控制程序，主 要涉及了四种不同设备的控制程序，第一种是电机 驱动模块的控制程序，第二种是机械手等执行机构 驱动器的控制程序，第三种是各种传感器模块的控 制程序，第四种是低速数据传输模块控制程序，每 一个控制程序都分为总线驱动程序与功能控制程序 两部分。总线驱动用于实现通讯协议，将传感器数 据上传给上层，或者接收上层命令用于执行，各设 备的功能控制程序用于实现这个设备的特定功能(读 取传感器信息、执行运动命令)。
第三层是运行于低速设备管理与数据采集层的 系统软件驱动程序。该层软件主要包括各总线接口 的驱动程序与通讯管理程序，其中通讯管理程序使 用485总线驱动程序、CAN总线驱动程序、I2C总线 驱动程序，实现与低速设备的数据交换，同时使用 LAN驱动程序、USB驱动程序、RS232驱动程序实现 与高速设备采集层的数据交换，通讯管理程序负责 保障命令能够从上层及时、准确地传递到下层的各 模块中，同时将下层各模块所产生的传感器信息等 数据与执行结果返回到上层。
第二层是运行于高速设备采集与处理层的系统 软件，可以是各种操作系统：
Linux、WinCE、Windos Mobile等等，这些系 统软件包括了3个层次的软件模块：位于最低层的是 各种外设的驱动程序，中间层是操作系统内核，上 层是应用程序接口(API)，API用于开发各种不同功能 的机器人控制程序。
最顶层(第一层)是面向不同应用的各种机器人控 制程序，用户使用移动平台提供的API开发出应用于 不同功能机器人的控制程序，这些程序通过API从接 入系统的各种传感器获取数据，同时发送命令控制 系统各种执行机构(移动底盘、机械手)运动，从而完 成移动机器人各种功能的控制。
2 地面移动监控机器人
图3与图4所展示的两个机器人是认知技术研究 室基于上述系统架构所开发的两个机器人样机。
图3所示为运用于安防领域的监控机器人。机器 人上安装有摄像头，机器人可以在家里自主巡逻，
也可以由用户在远程监控，可以完成在室内、小 区、或厂房等区域的监控任务。
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图4所示为RFID导游机器人，机器人上安装有 RFID传感器，机器人可以沿着在场景中铺设的轨迹 线运动，当RFID传感器读到RFID标签时，可以对标 签相应的内容进行介绍，以此实现导游功能。
下面简要介绍监控机器人的实现方案与特点，
监控机器人的系统架构在硬件上仍采用三层结构，
顶层是高速设备数据采集与处理层，中间层是低速 设备数据采集与通讯管理层，底层包括各种低速设 备模块。
监控机器人使用了一个高性能的嵌入式计算 机来实现高速设备数据采集与处理层。该嵌入式计 算机也是监控机器人的主控模块，该计算机使用 PXA270作为其CPU，具有较高的运算处理能力，
内存为64M，该计算机系统所具有外设接口包括 VGA、USB、RS232、PCMCIA等，其中USB接口连 接了USB摄像头与无线网卡，USB摄像头用于图像信 息采集，无线网卡用于机器人通过网络向监控终端 发送图像数据，并且接收监控终端发给机器人的控 制命令，机器人的核心控制程序在该嵌入式计算机 上运行。
监控机器人使用了以LPC2214为处理器的嵌入 式计算机作为系统的低速设备数据采集与通讯管理 层。LPC2214使用Arm7为内核，工作时钟频率较 低，该嵌入式计算机所提供的外设接口包括RS232、
RS485、I2C，其中RS232总线用于与上层嵌入式系 统通讯，RS485用于与下层的各模块通讯。
监控机器人所使用的伺服电机控制器与超声传 感器属于第三层的低速设备。机器人的移动底盘安 装有两个驱动电机，每个驱动电机使用一个有刷电 机驱动器驱动，控制器使用485总线接口接收上层传 递的运动控制命令，同时对命令进行解释并完成对 电机的伺服控制，然后将命令执行的结果以及执行 过程中的意外情况通过总线传递到上层。
平台前侧安装有超声测距传感器，用以避免机
器人在运动过程中与前方障碍物碰撞。该传感器模 块也使用485总线与上层通讯，模块接收到开始工作 命令后，不断采集传感器数据，获取距离信息。当 机器人主控制程序需要获取传感器数据时，通过数 据采集与通讯管理层向超声测距传感器模块发送距 离读取命令，该模块接收到命令后将检测到的数据 发送给上层，之后数据采集与通讯管理层再将数据 送回机器人主控模块。
监控机器人作为一个实例实现了文中第一部分 所提出的通用型地面移动机器人架构，机器人样机 实现了用户通过互联网远程监控的功能，并参加了 07年的高交会展示，展出效果良好。
3 产业化前景
地面移动机器人有着极为广泛的应用，机器人 制造厂商需要面向不同的应用开发功能不同的机器 人。目前的机器人系统开发存在这样的现状，当研 发人员购买到开发移动机器人所需零配件之后，仍 有很多繁杂的开发工作需要做，研发人员不能将注 意力都放在机器人具体功能的实现上，在系统集成 联合调试以前需要花很长时间进行各模块的开发，
这就导致目前移动机器人开发存在以下特点：开 发工作繁杂，人员投入多，开发成本高、开发周期 长、系统复杂程度较高，产品价格高，升级与维护 相对困难。正是这些现状严重制约了移动机器人产 业的形成与发展，同时给移动机器人广泛而深入的 应用带来了不利因素。
移动机器人产业链的形成对其规模化的应用 会起到至关重要的作用，用户对移动机器人的最终 需求决定了移动机器人市场规模，用户的需求成为 推动产业链形成与发展的源动力。移动机器人平台 标准化的程度将直接影响到产业链的形成与发展，
标准化能够给零部件制造商提供制造标准，这样同 一个模块化零部件可以满足不同系统集成厂家的需 求；对系统集成厂商而言，研发人员可以将注意力 放在机器人功能的实现上，从而减少工作强度，缩 短研发周期，降低开发成本，因此能有效降低产品 价格，提高产品质量，同时还有利于机器人产品的 维护以及零部件的升级。
地面移动机器人的应用实例呈出不穷，最终用 户对移动机器人存在很大的需求。虽然目前的移动 机器人产业尚未形成规模，但巨大的市场需求必将 图3 监控机器人 图4 RFID导游机器人
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Vol. 3 No.7 / Jul. 2009 使移动机器人产业具有很好的发展前景，标准化是
产业形成规模的一个至关重要的因素，论文所提出 的移动平台系统架构以及验证样机作为移动平台标 准化的一种初步探索基本实现了预期目标，同时为 移动平台下一步的系统改进提供了实践依据。
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作者简介
王立威 男，硕士，研究人员，研究领域：地面移动 机器人，嵌入式系统。
宋章军 男，博士，助理研究员，研究领域：轮式移 动机器人，管道清扫机器人，机器人智能控 制。
