如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)算與控制
2020/7/26 12:22:13 點(diǎn)擊：
20世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人類對于自身的不斷了解，機(jī)器人的研究也在不斷的深入。現(xiàn)階段能做出外表接近人類的機(jī)器人，走路接近人類的機(jī)器人……但這些都屬于很前沿的領(lǐng)域，研究門檻高，實(shí)際的商業(yè)用途不是很廣，所以大多還停留在樣品階段，走進(jìn)市場的很少。隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的大潮，嵌入式處理器正在完成以前臺式處理器做不到的事情，于是乎機(jī)器人現(xiàn)階段又被重新定義。在現(xiàn)在的消費(fèi)領(lǐng)域，某些配備智能處理器和具有互聯(lián)網(wǎng)功能的產(chǎn)品也被成為了機(jī)器人，下面列舉一些成熟產(chǎn)品的例子：
下圖是兩款國內(nèi)廠家生產(chǎn)的機(jī)器人的產(chǎn)品，屬于生活工具的類別，一般放置在家中，無法自行移動，采用嵌入式處理器，帶有攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、顯示模塊，可以連接手機(jī)，通過手機(jī)APP端對機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，同時機(jī)器人攝像頭采集到的圖像也能實(shí)時傳給手機(jī)，也可以和手機(jī)進(jìn)行語音對講。機(jī)器人也帶有語音識別模塊，如可以向它詢問“明天天氣如何”，他會從網(wǎng)絡(luò)獲取天氣信息然后回答你。這些放置在家中的機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測的功能，通過手機(jī)實(shí)時查看家中的監(jiān)控影像是一點(diǎn)，也可以適配各種傳感器，比如貼在門窗后面的加速度傳感器，當(dāng)門窗被動作時傳感器給機(jī)器人發(fā)出信號，機(jī)器人隨即通過設(shè)定的方式進(jìn)行報警。
下圖是兩款國外生產(chǎn)的機(jī)器人，最主要的特點(diǎn)是可以運(yùn)動，屬于智能玩具的范疇。它們都是可以連接智能手機(jī)，通過手機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置，然后把手機(jī)當(dāng)做機(jī)器人的操作桿，操作機(jī)器人做出各種運(yùn)動，達(dá)到娛樂的目的，機(jī)器上裝有攝像頭，也可以在手機(jī)上同步看到機(jī)器人攝像頭拍攝到的視頻畫面。在玩法也有一些創(chuàng)新，如左邊的機(jī)器人在星戰(zhàn)電影里有原形，用手機(jī)的攝像頭對準(zhǔn)該機(jī)器人，通過手機(jī)端的AR技術(shù)，在手機(jī)屏幕里可以給機(jī)器人加上各種效果，增加娛樂性。
還有一些具有特殊用途的機(jī)器人，比如掃地機(jī)器人，根據(jù)內(nèi)部的路徑算法清潔地面，同時能自動避開障礙物，快沒電的時候能自動返回充電樁充電。
以后服務(wù)機(jī)器人的趨勢會是以上列舉的這些機(jī)器人的集大成者，即在軟件智能和機(jī)械運(yùn)動上不斷發(fā)展。軟件智能方面通過高性能的嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)視頻處理、網(wǎng)絡(luò)連接和語音識別等技術(shù)。機(jī)械運(yùn)動方面先搭配單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)通過輪子的滾動實(shí)現(xiàn)移動，通過機(jī)械零件的增加和算法的改進(jìn)，逐漸實(shí)現(xiàn)動物甚至人體的肢體行走。下面的框圖列出了實(shí)現(xiàn)這樣的一個機(jī)器人需要采用的可能的技術(shù)：
高性能嵌入式處理器上運(yùn)行著機(jī)器人的核心系統(tǒng)。攝像頭采集視頻圖像，會對圖像中的事物進(jìn)行一些簡單的判別，比如識別人臉，對靜態(tài)事物的圖像采集也能讓機(jī)器人辨別障礙物，或者計算出靜態(tài)事物的大致幾何圖形甚至尺寸，對動態(tài)事物的圖像采集，機(jī)器人可以計算出動態(tài)事物的運(yùn)動軌跡甚至速度。4G和WIFI&BT模塊屬于無線通信模塊，有了無線通信機(jī)器人才能得到自身之外的更多信號，也可將自身的信息傳達(dá)給別人。語音識別模塊能讓機(jī)器人識別聲音，顯示&觸摸屏只是機(jī)器人與外界交互的一種方式，GPS模塊能讓機(jī)器人知道自己的位置信息，存儲模塊除了存儲機(jī)器人的系統(tǒng)和各類軟件外，也讓機(jī)器人有了記憶功能，前面講的攝像頭采集視頻圖像并計算，計算的結(jié)果可以存儲在存儲模塊中，當(dāng)遇到類似的計算的時候就可以判別事物，同時通過網(wǎng)絡(luò)模塊可以將這類信息傳遞出去分享給更多的機(jī)器人。單片機(jī)管理著機(jī)器人各類基礎(chǔ)的模塊，步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動，各類傳感器讓機(jī)器人有了感知外界環(huán)境的能力。紅外模塊可以實(shí)現(xiàn)對一些外部電器的操控，電池和電池管理模塊給整個機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量。
硬件結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)算和控制的基礎(chǔ)，在高性能嵌入式處理器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，進(jìn)行著服務(wù)機(jī)器人具體的運(yùn)算和控制，相當(dāng)于機(jī)器人的靈魂，目前主流的三大機(jī)器人操作系統(tǒng)有Ubuntu，Android和ROS，Android軟件平臺使用較廣泛，ROS為專用的機(jī)器人的軟件平臺。要實(shí)現(xiàn)對服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)算和控制，軟件平臺需要解決以下這些問題：
1，分布式計算 現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)往往需要多個計算機(jī)同時運(yùn)行多個進(jìn)程，當(dāng)多個機(jī)器人需要協(xié)同完成一個任務(wù)時，往往需要互相通信來支撐任務(wù)的完成；
用戶通常通過臺式機(jī)、筆記本或者移動設(shè)備發(fā)送指令控制機(jī)器人，這種人機(jī)交互接口可以認(rèn)為是機(jī)器人軟件的一部分。
2，軟件復(fù)用 隨著機(jī)器人研究的快速推進(jìn)，誕生了一批應(yīng)對導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、建圖等通用任務(wù)的算法。當(dāng)然，任何一個算法實(shí)用的前提是其能夠應(yīng)用于新的領(lǐng)域，且不必重復(fù)實(shí)現(xiàn)。
3，快速測試 為機(jī)器人開發(fā)軟件比其他軟件開發(fā)更具挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)檎{(diào)試準(zhǔn)備時間長，且調(diào)試過程復(fù)雜。況且，因?yàn)橛布S修、經(jīng)費(fèi)有限等因素，不一定隨時有機(jī)器人可供使用。
ROS作為機(jī)器人專用的軟件平臺，可在ARM搭配Ubuntu的環(huán)境下運(yùn)行，對服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)算和控制有著很多優(yōu)化和實(shí)用性，ROS軟件平臺有以下的優(yōu)點(diǎn)：
(1)點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計
一個使用ROS的系統(tǒng)包括一系列進(jìn)程，這些進(jìn)程存在于多個不同的主機(jī)并且在運(yùn)行過程中通過端對端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系。雖然基于中心服務(wù)器的那些軟件框架也可以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程和多主機(jī)的優(yōu)勢，但是在這些框架中，當(dāng)各電腦通過不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接時，中心數(shù)據(jù)服務(wù)器就會發(fā)生問題。
ROS的點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由計算機(jī)視覺和語音識別等功能帶來的實(shí)時計算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。
(2)多語言支持
在寫代碼的時候，許多編程者會比較偏向某一些編程語言。這些偏好是個人在每種語言的編程時間、調(diào)試效果、語法、執(zhí)行效率以及各種技術(shù)和文化的原因?qū)е碌慕Y(jié)果。為了解決這些問題，我們將ROS設(shè)計成了語言中立性的框架結(jié)構(gòu)。ROS現(xiàn)在支持許多種不同的語言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語言的多種接口實(shí)現(xiàn)。
(3)精簡與集成
大多數(shù)已經(jīng)存在的機(jī)器人軟件工程都包含了可以在工程外重復(fù)使用的驅(qū)動和算法，不幸的是，由于多方面的原因，大部分代碼的中間層都過于混亂，以至于很困難提取出它的功能，也很難把它們從原型中提取出來應(yīng)用到其他方面。
為了應(yīng)對這種趨勢，我們鼓勵將所有的驅(qū)動和算法逐漸發(fā)展成為和ROS沒有依賴性單獨(dú)的庫。ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨(dú)編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現(xiàn)精簡的理念。ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫的功能，就允許了對簡單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。作為一種新加入的有優(yōu)勢，單元測試當(dāng)代碼在庫中分散后也變得非常的容易，一個單獨(dú)的測試程序可以測試庫中很多的特點(diǎn)。
(4)工具包豐富
為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，利用了大量的小工具去編譯和運(yùn)行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個龐大的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。
(5)免費(fèi)并且開源
ROS所有的源代碼都是公開發(fā)布的。我們相信這將必定促進(jìn)ROS軟件各層次的調(diào)試，不斷的改正錯誤。雖然像Microsoft Robotics Studio和Webots這樣的非開源軟件也有很多值得贊美的屬性，但是我們認(rèn)為一個開源的平臺也是無可為替代的。當(dāng)硬件和各層次的軟件同時設(shè)計和調(diào)試的時候這一點(diǎn)是尤其真實(shí)的。
現(xiàn)階段高性能嵌入式處理器在手機(jī)平板電腦上運(yùn)用較多，但這類處理器由于向著手機(jī)的行業(yè)方向發(fā)展，接口方面比較傳統(tǒng)和固定，很難滿足機(jī)器人的設(shè)計需求。工業(yè)方向的高性能嵌入式處理器不算多，飛思卡爾的imx系列可以算一個不錯的平臺，主要是接口豐富，可定制化的形態(tài)較多，滿足機(jī)器人多元化接口的需求。同時imx系列對Ubuntu，Android這兩大操作系統(tǒng)的支持良好，系統(tǒng)在該平臺上運(yùn)行穩(wěn)定，通過Ubuntu可以支持ROS軟件平臺，ROS軟件平臺的優(yōu)點(diǎn)能很好的解決掉上述機(jī)器人軟件開發(fā)的一些問題。辰漢電子作為專攻飛思卡爾imx平臺設(shè)計研發(fā)的上市公司，在對平臺定制方面有著多年的經(jīng)驗(yàn)和成功案例，在工業(yè)機(jī)器人市場有著穩(wěn)定出貨的產(chǎn)品，公司也在服務(wù)機(jī)器人市場有著務(wù)實(shí)的準(zhǔn)備。
關(guān)鍵字：機(jī)器人 互聯(lián)網(wǎng) 智能手機(jī)
下圖是兩款國內(nèi)廠家生產(chǎn)的機(jī)器人的產(chǎn)品，屬于生活工具的類別，一般放置在家中，無法自行移動，采用嵌入式處理器，帶有攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)模塊、顯示模塊，可以連接手機(jī)，通過手機(jī)APP端對機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，同時機(jī)器人攝像頭采集到的圖像也能實(shí)時傳給手機(jī)，也可以和手機(jī)進(jìn)行語音對講。機(jī)器人也帶有語音識別模塊，如可以向它詢問“明天天氣如何”，他會從網(wǎng)絡(luò)獲取天氣信息然后回答你。這些放置在家中的機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測的功能，通過手機(jī)實(shí)時查看家中的監(jiān)控影像是一點(diǎn)，也可以適配各種傳感器，比如貼在門窗后面的加速度傳感器，當(dāng)門窗被動作時傳感器給機(jī)器人發(fā)出信號，機(jī)器人隨即通過設(shè)定的方式進(jìn)行報警。
下圖是兩款國外生產(chǎn)的機(jī)器人，最主要的特點(diǎn)是可以運(yùn)動，屬于智能玩具的范疇。它們都是可以連接智能手機(jī)，通過手機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置，然后把手機(jī)當(dāng)做機(jī)器人的操作桿，操作機(jī)器人做出各種運(yùn)動，達(dá)到娛樂的目的，機(jī)器上裝有攝像頭，也可以在手機(jī)上同步看到機(jī)器人攝像頭拍攝到的視頻畫面。在玩法也有一些創(chuàng)新，如左邊的機(jī)器人在星戰(zhàn)電影里有原形，用手機(jī)的攝像頭對準(zhǔn)該機(jī)器人，通過手機(jī)端的AR技術(shù)，在手機(jī)屏幕里可以給機(jī)器人加上各種效果，增加娛樂性。
還有一些具有特殊用途的機(jī)器人，比如掃地機(jī)器人，根據(jù)內(nèi)部的路徑算法清潔地面，同時能自動避開障礙物，快沒電的時候能自動返回充電樁充電。
以后服務(wù)機(jī)器人的趨勢會是以上列舉的這些機(jī)器人的集大成者，即在軟件智能和機(jī)械運(yùn)動上不斷發(fā)展。軟件智能方面通過高性能的嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)視頻處理、網(wǎng)絡(luò)連接和語音識別等技術(shù)。機(jī)械運(yùn)動方面先搭配單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)通過輪子的滾動實(shí)現(xiàn)移動，通過機(jī)械零件的增加和算法的改進(jìn)，逐漸實(shí)現(xiàn)動物甚至人體的肢體行走。下面的框圖列出了實(shí)現(xiàn)這樣的一個機(jī)器人需要采用的可能的技術(shù)：
高性能嵌入式處理器上運(yùn)行著機(jī)器人的核心系統(tǒng)。攝像頭采集視頻圖像，會對圖像中的事物進(jìn)行一些簡單的判別，比如識別人臉，對靜態(tài)事物的圖像采集也能讓機(jī)器人辨別障礙物，或者計算出靜態(tài)事物的大致幾何圖形甚至尺寸，對動態(tài)事物的圖像采集，機(jī)器人可以計算出動態(tài)事物的運(yùn)動軌跡甚至速度。4G和WIFI&BT模塊屬于無線通信模塊，有了無線通信機(jī)器人才能得到自身之外的更多信號，也可將自身的信息傳達(dá)給別人。語音識別模塊能讓機(jī)器人識別聲音，顯示&觸摸屏只是機(jī)器人與外界交互的一種方式，GPS模塊能讓機(jī)器人知道自己的位置信息，存儲模塊除了存儲機(jī)器人的系統(tǒng)和各類軟件外，也讓機(jī)器人有了記憶功能，前面講的攝像頭采集視頻圖像并計算，計算的結(jié)果可以存儲在存儲模塊中，當(dāng)遇到類似的計算的時候就可以判別事物，同時通過網(wǎng)絡(luò)模塊可以將這類信息傳遞出去分享給更多的機(jī)器人。單片機(jī)管理著機(jī)器人各類基礎(chǔ)的模塊，步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動，各類傳感器讓機(jī)器人有了感知外界環(huán)境的能力。紅外模塊可以實(shí)現(xiàn)對一些外部電器的操控，電池和電池管理模塊給整個機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量。
硬件結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人運(yùn)算和控制的基礎(chǔ)，在高性能嵌入式處理器上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，進(jìn)行著服務(wù)機(jī)器人具體的運(yùn)算和控制，相當(dāng)于機(jī)器人的靈魂，目前主流的三大機(jī)器人操作系統(tǒng)有Ubuntu，Android和ROS，Android軟件平臺使用較廣泛，ROS為專用的機(jī)器人的軟件平臺。要實(shí)現(xiàn)對服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)算和控制，軟件平臺需要解決以下這些問題：
1，分布式計算 現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)往往需要多個計算機(jī)同時運(yùn)行多個進(jìn)程，當(dāng)多個機(jī)器人需要協(xié)同完成一個任務(wù)時，往往需要互相通信來支撐任務(wù)的完成；
用戶通常通過臺式機(jī)、筆記本或者移動設(shè)備發(fā)送指令控制機(jī)器人，這種人機(jī)交互接口可以認(rèn)為是機(jī)器人軟件的一部分。
2，軟件復(fù)用 隨著機(jī)器人研究的快速推進(jìn)，誕生了一批應(yīng)對導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、建圖等通用任務(wù)的算法。當(dāng)然，任何一個算法實(shí)用的前提是其能夠應(yīng)用于新的領(lǐng)域，且不必重復(fù)實(shí)現(xiàn)。
3，快速測試 為機(jī)器人開發(fā)軟件比其他軟件開發(fā)更具挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)檎{(diào)試準(zhǔn)備時間長，且調(diào)試過程復(fù)雜。況且，因?yàn)橛布S修、經(jīng)費(fèi)有限等因素，不一定隨時有機(jī)器人可供使用。
ROS作為機(jī)器人專用的軟件平臺，可在ARM搭配Ubuntu的環(huán)境下運(yùn)行，對服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)算和控制有著很多優(yōu)化和實(shí)用性，ROS軟件平臺有以下的優(yōu)點(diǎn)：
(1)點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計
一個使用ROS的系統(tǒng)包括一系列進(jìn)程，這些進(jìn)程存在于多個不同的主機(jī)并且在運(yùn)行過程中通過端對端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系。雖然基于中心服務(wù)器的那些軟件框架也可以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程和多主機(jī)的優(yōu)勢，但是在這些框架中，當(dāng)各電腦通過不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接時，中心數(shù)據(jù)服務(wù)器就會發(fā)生問題。
ROS的點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由計算機(jī)視覺和語音識別等功能帶來的實(shí)時計算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。
(2)多語言支持
在寫代碼的時候，許多編程者會比較偏向某一些編程語言。這些偏好是個人在每種語言的編程時間、調(diào)試效果、語法、執(zhí)行效率以及各種技術(shù)和文化的原因?qū)е碌慕Y(jié)果。為了解決這些問題，我們將ROS設(shè)計成了語言中立性的框架結(jié)構(gòu)。ROS現(xiàn)在支持許多種不同的語言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語言的多種接口實(shí)現(xiàn)。
(3)精簡與集成
大多數(shù)已經(jīng)存在的機(jī)器人軟件工程都包含了可以在工程外重復(fù)使用的驅(qū)動和算法，不幸的是，由于多方面的原因，大部分代碼的中間層都過于混亂，以至于很困難提取出它的功能，也很難把它們從原型中提取出來應(yīng)用到其他方面。
為了應(yīng)對這種趨勢，我們鼓勵將所有的驅(qū)動和算法逐漸發(fā)展成為和ROS沒有依賴性單獨(dú)的庫。ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨(dú)編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現(xiàn)精簡的理念。ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫的功能，就允許了對簡單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。作為一種新加入的有優(yōu)勢，單元測試當(dāng)代碼在庫中分散后也變得非常的容易，一個單獨(dú)的測試程序可以測試庫中很多的特點(diǎn)。
(4)工具包豐富
為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，利用了大量的小工具去編譯和運(yùn)行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個龐大的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。
(5)免費(fèi)并且開源
ROS所有的源代碼都是公開發(fā)布的。我們相信這將必定促進(jìn)ROS軟件各層次的調(diào)試，不斷的改正錯誤。雖然像Microsoft Robotics Studio和Webots這樣的非開源軟件也有很多值得贊美的屬性，但是我們認(rèn)為一個開源的平臺也是無可為替代的。當(dāng)硬件和各層次的軟件同時設(shè)計和調(diào)試的時候這一點(diǎn)是尤其真實(shí)的。
現(xiàn)階段高性能嵌入式處理器在手機(jī)平板電腦上運(yùn)用較多，但這類處理器由于向著手機(jī)的行業(yè)方向發(fā)展，接口方面比較傳統(tǒng)和固定，很難滿足機(jī)器人的設(shè)計需求。工業(yè)方向的高性能嵌入式處理器不算多，飛思卡爾的imx系列可以算一個不錯的平臺，主要是接口豐富，可定制化的形態(tài)較多，滿足機(jī)器人多元化接口的需求。同時imx系列對Ubuntu，Android這兩大操作系統(tǒng)的支持良好，系統(tǒng)在該平臺上運(yùn)行穩(wěn)定，通過Ubuntu可以支持ROS軟件平臺，ROS軟件平臺的優(yōu)點(diǎn)能很好的解決掉上述機(jī)器人軟件開發(fā)的一些問題。辰漢電子作為專攻飛思卡爾imx平臺設(shè)計研發(fā)的上市公司，在對平臺定制方面有著多年的經(jīng)驗(yàn)和成功案例，在工業(yè)機(jī)器人市場有著穩(wěn)定出貨的產(chǎn)品，公司也在服務(wù)機(jī)器人市場有著務(wù)實(shí)的準(zhǔn)備。
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