服务机器人理论

服务机器人理论主讲：林睿2011.07.28目录•机器人概述•服务机器人概述•服务机器人系统组成机械系统（机器人平台、本体）主控制系统（中央处理器）电气系统（电源系统、信号系统）运动控制系统（电机、控制器、驱动器）传感器系统（内部传感器、外部传感器）•服务机器人软件开发平台•服务机器人自主导航技术•服务机器人研究方向•服务机器人研究单位•服务机器人相关视频机器人概述•联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”机器人概述主要特点•通用性（versatility）---可执行不同功能和完成不同任务的能力取决于其结构特点和承载能力一般自由度越多，通用性越强•适应性（adaptivity）---主要指其对工作环境变化的适应能力传感与测量环境变化的能力分析任务和执行操作规划的能力自动执行指令能力基本功能具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过“感知”系统可以获取外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。具有思考功能，即处理信息的功能。机器人通过“大脑”系统进行思考，它的思考过程就是对各种信息进行加工、处理、决策的过程。具有行动功能，即输出信息的功能。机器人通过“执行”系统（执行器）来完成工作，如行走、发声等。机器人概述•系统结构机器人概述顶板超声波带后车箱自驱动车轮嵌入式计算机底盘DC-DC锂电池运动控制驱动模块支架云台摄像机装饰标志前车箱云台摄像机上开关板上接口板应急开关导线孔后接口板顶盖板前部顶盖板后部前超声波带驱动轮后超声波带脚轮典型的移动机器人平台组成服务机器人概述•在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中对智能服务机器人给予了明确定义——―智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备‖，并把智能服务机器人列为未来15年重点发展的前沿技术。服务机器人作为21世纪高技术服务业的重要组成部分，是我国高科技产业发展的一次重大机遇，对于提升国家竞争力具有重要战略意义。在全世界正在迎来服务机器人的发展高峰时，我国应及时抓住这次机器人发展的新机遇，大力发展服务机器人的核心技术，在提高我国服务机器人性价比竞争力的同时，积极研发高端产品，为下一步发展奠定基础。•服务机器人是家庭机器人组的主要研究对象，融人工智能、机器人和人机交互于一体，不仅涉及多学科前沿研究，而且具有广泛的应用背景，例如家庭、办公室、病房、养老院、教室、商场和餐厅等各种场合，成为近年来国内外机器人研究和产业发展的最大热点之一。服务机器人概述•服务机器人在家庭中的应用是其发展的一个重要方向。目前，家用服务机器人主要有吸尘器机器人、教育、娱乐、保安机器人、智能轮椅机器人、智能穿戴机器人、智能玩具机器人等。•国际机器人联合会在全球机器人相关发展调查报告中指出，自2004至2007年间，服务机器人产量大幅成长为670万台，而各种不同使用类别的机器人中，家务机器人将跃升成为主流，占总产量的61.83%，教育娱乐机器人则降低所占比例为37.25%，居于第二位。服务机器人概述•日本机器人协会的调查报告显示，工业机器人未来的成长空间已经十分有限；反观服务机器人将有大幅成长，预估2025年将有517亿美元的市场规模，都表明了智能服务机器人未来良好的发展态势。•韩国信息通信部调查研究报告指出，2012年全球智能机器人产值将高达2500亿美元。虽然各种统计数据对机器人的种类划分不是很统一，导致预测结果有差异，但都表明了服务机器人未来良好的发展态势。服务机器人系统组成机械系统（机器人平台、本体）主控制系统（中央处理器）电气系统（电源系统、信号系统）运动控制系统（电机、控制器、驱动器）传感器系统（内部传感器、外部传感器）主控制系统主控制系统，又称上位机，主要负责处理各种传感器数据以及进行各种任务规划执行，一般高性能的工业PC机（嵌入式主板），处理速度在1GHz以上；并通过各种接口与传感器通讯，获取相关环境信息；负责机器人自主导航等高级任务的规划和执行；嵌入式3.5/5寸板PC104板MINI-ITXPICO-ITXNANO-ITXETX嵌入式主板（工业PC机…）•嵌入式主板一般理解为嵌入在设备里面做控制、数据处理使用的CPU板，也就是设备的“大脑”。嵌入式到设备里面，当然就会对主板的体积以及功耗（嵌入式主板的散热问题）有比较严格的要求。所以一般来讲嵌入式主板会具备尺寸小、高集成度、低功耗等特性！•目前嵌入式主板比较常见的一般有两大类：基于X86的嵌入式主板(一般使用INTEL、威盛、AMD或其他产家的X86芯片如：台湾RDC、台湾ICOP等等)；基于RISC的ARM嵌入式主板（由ARM公司授权生产，每个芯片产家各有自己特殊的功能）。嵌入式的ARM板一般都是板载CPU，而基于x86CPU的主板则不一定。性能比较底端的主板如：386/486/586性能的嵌入式主板一般都采用板贴CPU的方式，•目前很多高端的嵌入式主板都不再板载CPU，使用SocketP/SocketM的CPU槽，所以用户可以很方面地根据自己的性能需求选择主板支持的CPU。比如：很多945芯片组的3.5寸嵌入式主板可以支持酷睿2双核、酷睿双核、酷睿单核、赛扬MCPU；当然，由于CPU的主频很高，功耗大，为了解决散热的问题，这些主板的CPU一般会带散热片，有的还得在散热片上再加风扇。嵌入式主板•常见的3.5寸板、PC104板、MINI-ITX、PICO-ITX、NANO-ITX、ETX等都属于嵌入式主板的板型。凌华CoreModule745威盛Mini-ITX-超微型主板威强NANO-945GSE2嵌入式主板•通常在主板上面会带有：VGA接口（有的嵌入式主板会带DVI、HMD、LVDS/TTL等显示接口，LVDS/TTL用来接LCD显示屏；945芯片组以上的主板还可以支持异步双显）、USB接口、键盘/鼠标，并口、串口、IDE接口（高端主板一般带有SATA接口）、网口、GPIO口等等，通常还会带有一个功能扩展接口如：PC104、PCI、MINI-PCI等类似的扩展接口，存储扩展接口如：CF卡接口（低端主板还会带有DOC(DiskonChip)接口）。•3.5嵌入式主板系列体积仅相当于3寸硬盘大小。有板载CPU的低端主板，也有非板载的；主板一般都是可以支持Windows系统的，所以性能一般来讲比PC104主板要高，常见的PC104主板一般都是上DOS的；有的主板上面不仅贴CPU除此还会板载内存，128/256的都有，确实是ALL-IN-ONE。•PC104主板（主板一般都会板载CPU、板载内存条、板载电子盘）现在很常见，有两种规格：X86和ARM。基于X86的PC104主板很多产家再做，基本上都是低端上DOS系统的，不过也有例外，有产家可以上到PM1GHZ以上，当然价格也超级贵了。PC104嵌入式主板跟其他主板一般，都是嵌入到设备里面做控制使用的，所以很多行业都可以使用。主控制系统•主控制系统NANO-945GSE2，其特征：1).Intel®Atom™处理器N2701.6GHzCPU，无风扇超低功耗；2).单相12V电源输入，5V输出支持SATA设备；3).双显支持VGA+LVDS，VGA+TTL；4).支持4xCOM，6xUSB，2xSATA，CFTypeII插槽；ACE-4520CNANO-945GSE2SONY摄像机200-pin533MHzDDR21G内存硬盘PCIDDR2插槽SATA1前接口板USBUSBPC/104图像采集卡VT-111COM1无线影音传输系统(SKY-TX24500)COM2DSP运动控制板驱动器驱动器MAXON电机码盘MAXON电机码盘USB(COM5)无线数传(HSD-50T)24V15Ah日神锂离子电池主开关COM3电子罗盘LP3200USB(COM7)激光URG-04LX-UG01超声控制板超声驱动器后接口板VGALANPS/2USBCOM4CPLD红外传感器主控制系统CPUIntel®Atom™处理器N2701.6GHz533MHzFSB芯片组Intel®945GSEIntel®82801GBM/ICH7MBIOSAMIBIOS内存1x200-pin533MHzDDR2SDRAMSO-DIMM(最大支持2GB)网络双PCIeRealtek8111CPGbE芯片组I/O6xUSB2.0；2xSATA；3xRS-232；1xRS-232/422/485；(RS-232，RS-422/485共享COM3)1xPS/2；1xLPT；1xCFTypeII红外接口1x红外接口扩展1xPC/104-PlusSuperIOITEIT8718数字I/O8-位数字I/O，4-位输入/4-位输出音频RealtekALC655AC'97codec显示Intel®GraphicsMediaAccelerator950VGA集成于Intel945GSE18-位双通道LVDS集成于Intel®945GSE24-位TTL(LVDS转TTL)电源12V，AT/ATX支持功耗12V@1.45A(Intel®Atom™处理器N270,1GBDDR2)尺寸165mmx115mm重量GW：700gNW：350g机器人电气接口概述RS232、RS422、RS485USBCANSPIPCIPC104RS232接口RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。RS232接口RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。RS232采用负逻辑电平：-15~-3：逻辑1；+15~+3：逻辑0；电压在7V左右。传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。RS232接口•接口定义•常见芯片RS232（DB9）1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SG信号地6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS允许发送9RI振铃提示MAX232供电电压：5V；最高速率：120Kbps（MAX232），200Kbps（MAX232A）使用的外部电容：1uF（MAX232）0.1uF（MAX232）MAX202供电电压：5V；最高速率：64Kpbs；使用的外部电容：0.1uFMAX3232供电电压：3-5.5V；最高速率：120Kpbs；使用的外部电容：0.1uFRS-422•RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号地线，共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422