机器人 下一代嵌入式计算系统

    正象微软公司主席比尔-盖茨先生大胆预测，计算机将超过以往20年的速度在这未来的10年中改变人们的生活。即将诞生且有影响力的电脑类型之一就是大家所期待的智能化和自适应的传感器平台，也就是机器人。机器人的发展不必需要背后的硅或软件技术大的突破，实际上实现它的技术已经存在。类似“智能电话”手机的发展已经创造出所需的CPU和传感器来开发多领域的机器人产品，关键是如何去创造性地利用硬件和软件。 

    机器人已不再仅仅是科幻小说中的任务，它已经成为我们生活中的一部分。例如：iRobot公司推出的Roomba家庭吸尘器机器人已经在市场上销售出了一百万台之多。此外，机器人传感器在高速路上可以用于监控交通情况以及改进库房的安全措施。一个名叫StaBots的智能传感器平台随着与欧洲冰川的移动，对全球的温室效应进行监测。高端机器人玩具，如：RoboSapiens和“爱博”可以与人们共同“玩耍”，给我们带来极大的愉悦和教益。大学中关于机器人的活动和俱乐部比比皆是，甚至酷似人类的机器人也正在出现。一些对日本人口的下降忧心忡忡的日本企业已经开始开发完全具备人类功能的机器人产品，这些机器人可以与我们肩并肩地利用相同的工具和机械进行劳动。 

    机器人技术突出的应用领域是开发出了“无人驾驶飞行器”（UAVs）。这一系统结合传感器技术、飞行导航和控制技术以及通讯技术，具有对大面积地形进行遥控勘察和检测的功能。目前，这种UAVs被广泛应用于森林火灾、河流泛滥、火山爆发、农作物病虫害和雪崩等自然现象的监控工作。 

    UAV研制开发的构想主要来自于军事领域，在战场上，机器人的价值已经被认为是不可估量的。譬如，护航用车辆必将被机器人所取代。对于有人驾驶的车辆或者士兵个人，可以在其头顶上方部署一个无人飞行器“预警”，识别可能遇到的威胁，并且截获它。机器人还可以用于引诱敌人的飞机或地面车辆，从而发现和标示出敌人防卫或埋伏的位置。这不是“痴人说梦”的空想，DoD基金计划已经开始赞助这一研制工作。见图表1。 

    今天的技术状况
    以上UAV机器人的设计工作不必等到“奇迹芯片”和技术的出现，开发这类应用的技术完全可以依照现有的运用到高端手机中的CPU和传感器技术。开发商只需将手中的手机芯片贴在嵌入式的低功耗基板上。当然，对现成的商用COTS手机芯片进行再配置比起利用总线卡和即插拔标准要难的多。但这还是可以做的，而且能够 在规定的项目时间和预算之内完成。有些公司，如：Applied Data Systems可以将手机技术转换成嵌入式计算平台（ECP），应用到特定的领域，并带来成本和性能上的优越性。 

    移动电话技术对机器人技术的开发有两个重要性。一是它在传统的嵌入式技术基础上，针对以上目标应用在性价比上有了飞速的发展。正如表格1中列出，价格为650美元的高性能手机，在没有运营商的补贴之前，就已经具有足够的市场竞争力。即使从实际成本来看，手机比起依靠传统计算机部件构建起的相同系统要低廉许多。此外，采用手机部件制作的ECP体积很小，很适合UAV和StaBot的应用。

    相对成本较低的手机技术是开发价格低于2000美元的机器人产品的基础。这使得UAVs可以大量地实施和部署，通过点对点的无线网络进行联络，在高风险的环境下，如战场上，执行各项任务。 

    除了成本优势之外，在嵌入式领域采用移动电话技术还具有比对传统微控制器更加良好的性能。如表格所显示，手机CPU在功耗上要比传统嵌入式硬件强50倍以上。随着其他聚合技术的发展，其性能必将会有更大的改进。

   手机技术的再运用
    英特尔®的PXA27x CPU具有象UAVs这类移动机器人所需要的全部特性，以达到50比1的性能提高程度。唯一需要做的是对硬件资源进行反复利用。PXA270处理器上的嵌入式4 Mega像素图象存储器是针对商用照相手机的，然而它具有的高速数据存取造就了所需的目标识别功能。许多CCD、CMOS和IR图象传感器如今推动了超光谱图形解决方案的出现。传感器可以应用到鱼眼、全景甚至双目功能，有助于行动的调动，如目标拦截或碰撞的避免。 

    同样，针对电话自动语音识别的DSP/MAC设计也可以运用到环境中的震动和声音信号的识别中。民用无线电广域网（WANs）的接口可以连接到JTRS(Joint Tactical Radio Service),Iridium或其他实际网络当中。蓝牙Bluetooth™的个人局域网络接口可以由低功耗的传感器网络如Zigbee (http://www.zigbee.org/)或特定的UAV点到点网络 MeshNet (http://www.meshnetworks.com/)网络所替代。 

    其他融合技术将进一步增强机器人的可用性。UAVs也许将可以在城域网（MAN）的宽带IP“天空”中翱翔，利用网络在UAVs之间建立点对点的通讯。GPS芯片的位置和取向技术将加强点对点环境下其他机器人信号数据的飞行时间，在UAV密集群中协调行动。原本为相机的图象稳定而开发的低成本微电机系统（MEMS）可以为机器人提供6点惯性定位数据。 

    在低功耗机器人应用中，如：StaBots,低功率设计可以通过包含一个在集成的功率控制系统中的微控制器获得“微安培”睡眠区域。针对有复杂图象或信号分析需求的系统，加入FPGA可以将电脑功率扩展到TerraOps或更广的范围。 

    以上几项技术都不具有什么突破点，只是将现有的部分很好地整合，积累起来的效果却非常惊人。通过在每个UAV上安装20个传感器，与软件的反应程序只有几微秒之差，以及在成百上千个UAV上设置嵌入式处理功能，未来机器人系统的潜在性能将会延展到超级计算机领域。 

    还可以得到软件的支持
    在一个任务上部署如此多的传感器和处理器，看上去也许是个令人生畏的软件开发工作，但实际上它可以在现有的软件框架中完成。实时的CORBA(共同对象请求中间架构Common Object Request Broker Architecture)已经存在，使数据和资源的共享得到简化。此外，还可以得到Windows® CE.NET对“shrink-wrapped”套件中源代码和普遍支持所提供的实时反应和管理代码。 

    这些对象导向的方式无论从垂直角度还是水平方向都分解了针对大群UAV的软件开发工作。例如：在一个稳定的XML/SOAP框架中比较Leading Edge Design(http://www.leds.com)等公司的图象分析个识别的软件。同时，其他开发团队的成员可以独立地对各种传感器分析功能（起飞、着陆、巡航、躲避等）进行完善。 

    人们对网络安全问题以及这些类似手机的机器人系统遥控功能等方面的担心，正在迅速地消失。手机安全技术比台式机要领先若干年。因为移动电话运营商在各自网络上表现得异常谨慎。Odyssey软件公司(http://www.odysseysoftware.com)和Senforce(http://www.senforce.com)公司目前可以为这些重要任务提供解决方案包。 

    这些软件问题的解决不仅基于现有技术，而且随着第三方软件开发商的发展而变得更容易。各种低价传感器和CPU平台应用在机器人应用方面，帮助许多公司有效地对付这一问题。或许更为重要的是，全面部署该技术将有助于开创机器人和类似StaBots的新的应用领域，而在这广泛领域部署机器人系统会推动第三方软件开发商的发展，加速AI（人工智能）的开发，提供“集群”配置的使用。 

    诚然，机器人正向我们走来。移动电话技术为ECP提供了无比巨大的成本和性能优势。与此同时，在民用和国防领域，机器人系统具有重要的推广意义，有着广阔的前景。此外，传感器和图象处理技术继续不断前进，在相关技术上已经取得极大的商业成功。所有这一切融合起来，将促使机器人成为嵌入式系统下一代的发展目标。 

    Lawrence Ricci先生也是ADS公司的业务发展经理，也是Intel ®通讯联盟(ICA)的协作成员，专门负责开发低功耗的RISC嵌入式系统。此外，Ricci先生还是微软公司嵌入式MVP和ITA FF(信息保障技术框架论坛)以及SWWG(安全无线工作组)成员。