深圳技師學(xué)院電子信息技術(shù)系 盛春明

人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使仿生機(jī)器人向更多領(lǐng)域發(fā)展。其中，頭部仿生機(jī)器人為電影行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，許多影片拍攝過程中難以呈現(xiàn)的鏡頭效果，可以利用頭部仿生機(jī)器人的特效技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1.數(shù)據(jù)驅(qū)動控制的涵義

數(shù)據(jù)驅(qū)動控制是指控制器設(shè)計(jì)不需要受控過程中的數(shù)學(xué)模型信息，設(shè)計(jì)知識僅源于受控系統(tǒng)的離線、在線輸入或輸出的數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到的信息，具有假設(shè)意義上的魯棒性、穩(wěn)定性和收斂性保障的控制方法和理論。一句話來說，就是數(shù)據(jù)直接作用于控制器設(shè)計(jì)的控制方法和理論。

2.頭部仿生機(jī)器人內(nèi)部STM32微型控制系統(tǒng)

STM32微控系統(tǒng)是32位精簡指令集的處理器內(nèi)核，在運(yùn)行狀態(tài)中頻率為達(dá)到72MHz。STM32芯片將外置設(shè)備、輸入和輸出端口以及高速存儲器高度集成到一起，全部設(shè)備的通信接口具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。芯片內(nèi)部還有16位計(jì)時器11個、12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器2個以及12位的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器1個。

STM32微控芯片的ARM 32位精簡指令集處理器內(nèi)核嵌入在固態(tài)和靜態(tài)存儲器中，能兼容ARM的一切軟件及工具，代碼效率非常高。STM32微控芯片存儲數(shù)據(jù)和程序功能的發(fā)揮在于其內(nèi)部的嵌入式固態(tài)存儲器，而靜態(tài)隨機(jī)存儲器則具有讀寫CPU的時鐘速度的功能。STM32微控芯片支持固態(tài)存儲、動態(tài)隨機(jī)存儲、靜態(tài)隨機(jī)存儲和閃存四種不同模式，這也是其系統(tǒng)進(jìn)行片選的四個信號收發(fā)點(diǎn)。

系統(tǒng)中有3個可變靜態(tài)存儲器中斷線經(jīng)過OR，然后連接到嵌套矢量中斷控制器。且系統(tǒng)外部存儲器可以執(zhí)行除PCCARD外的所有代碼，其目標(biāo)頻率為SYSCLK/2。因此，如果系統(tǒng)時鐘運(yùn)行功率為72MHz，外部訪問就以36MHz的功率運(yùn)行。嵌套矢量中斷控制器能提供的中斷優(yōu)先級數(shù)量達(dá)到16個，同時可以對43個可屏蔽中斷通道進(jìn)行處理。

外部中斷/事件控制器有可以產(chǎn)生中斷/事件請求的探測器線，一共有19條，其中每一條線能被獨(dú)自屏蔽，也能獨(dú)自選擇觸發(fā)事件。如果外部線有超過內(nèi)部外圍總線長度的時鐘周期脈沖，外部中斷/事件控制器就能及時探測到。有16個外部中斷線可以連接到EXTI的總線擴(kuò)展器上。

啟動STM32微控系統(tǒng)時首先要選擇系統(tǒng)時鐘，如果開啟復(fù)位功能的話CPU時鐘將會選用功率為8MHz的晶振。系統(tǒng)是否成功啟動可以選用外部的一個4—16MHz時鐘進(jìn)行監(jiān)視。在此過程中，系統(tǒng)會先后禁止控制器和關(guān)鍵中斷管理。當(dāng)STM32微控系統(tǒng)啟動時，用Boot引腳選擇導(dǎo)入存儲器（可以從固態(tài)存儲器、靜態(tài)隨機(jī)存儲器和系統(tǒng)存儲器這三項(xiàng)中選擇），其導(dǎo)入程序存在于系統(tǒng)存儲器中，以利用USART1對固態(tài)存儲器進(jìn)行重新編程。

STM32微控系統(tǒng)電源工作電壓范圍為2.0V—3.6V，接入外部電源后通過VDD引腳為系統(tǒng)內(nèi)的輸入/輸出端口和調(diào)壓器供電。VSSA和VDDA電壓范圍為2.0V—3.6V，當(dāng)RC和PLL電壓范圍在工作電壓內(nèi)，VSSA必須與VSS相連，VDDA必須與VDD相連。當(dāng)VDD失去作用時，需將供電源切換到備份寄存器和外部32KHz晶振中。當(dāng)系統(tǒng)從2V電壓開始啟動時或系統(tǒng)電壓掉到2V時，可以利用系統(tǒng)電源管理設(shè)備中的上電或掉電復(fù)位電路進(jìn)行相關(guān)操作。

STM32微控系統(tǒng)的調(diào)壓器有掉電模式、低功耗模式和主模式三種不同的運(yùn)行模式。其中系統(tǒng)待機(jī)時用掉電模式，系統(tǒng)停止運(yùn)行時用LPR，系統(tǒng)運(yùn)行時用MR。微控系統(tǒng)的調(diào)壓器電流輸出狀態(tài)為高阻，核心電路啟用掉電模式，再加上功耗為零，這種調(diào)壓情況在很大程度上保證了SRAM和寄存器中內(nèi)容的穩(wěn)定存在。STM32微控系統(tǒng)的低功耗模式，使可用喚醒源和短時啟動之間的平衡點(diǎn)達(dá)到最佳，對系統(tǒng)功耗的降低十分有利。

3.頭部仿生機(jī)器人的2.4G無線技術(shù)

2.4G是頻段在2.400GHZ—2.4835GHZ之間的一種無線技術(shù)的簡稱。2.4G無線技術(shù)不接外部電線，運(yùn)行效率高，成本則相對低廉，電壓也很低，其特效體積能進(jìn)行定向糾錯，調(diào)頻速度非?？臁Ｓ捎?.4G無線技術(shù)在運(yùn)行時使用的是無須許可的全球開放頻段，并將高頻鍵控收發(fā)電路進(jìn)行整合，使特效體積的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高速傳輸。因此受到無線技術(shù)相關(guān)人士的廣泛使用。

4.系統(tǒng)調(diào)試

4.1 無線模塊測試

邏輯分析儀是判定時序的儀器，它通過始終采集測試設(shè)備上的數(shù)字信號，并將其顯示出來。邏輯分析儀只顯示高電平和低電平兩種不同的狀態(tài)，而對于能持續(xù)的模擬量波形則沒有顯示效果。

邏輯分析儀能遵循一定的規(guī)律解碼電平序列，從而實(shí)現(xiàn)分析通信協(xié)議的目的。也能利用其更加簡便地對采樣信號進(jìn)行設(shè)置，對不同路信號的時序進(jìn)行分析，對信號的無意義干擾毛刺進(jìn)行捕捉。

數(shù)據(jù)驅(qū)動頭部仿生機(jī)器人的控制就是通過2.4G無線模塊來接收遙控器發(fā)出的高頻信號，然后發(fā)揮邏輯分析儀的功能，對此無線模塊接收的波形進(jìn)行測試分析。經(jīng)過多次測試，結(jié)果表明邏輯分析儀接收的波形占空比隨著遙控器推桿位置的變化而變化，所以判別遙控器推桿位置的方式就是識別占空比波形的異同，然后用相關(guān)程序來確認(rèn)。

舵機(jī)控制流程圖

頭部仿生機(jī)器人的相關(guān)運(yùn)行動作分別由21個舵機(jī)配合完成，這些舵機(jī)在獲知遙控器推桿的位置信號之后，可以調(diào)整和控制頭部仿生機(jī)器人的眼、眉、嘴及下巴等部位的運(yùn)動，來使機(jī)器人的面部表情實(shí)現(xiàn)不同的變化。

4.2 基于面目結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表情控制

首先，測試仿生機(jī)器人內(nèi)部的各個機(jī)械組成部分之間的牽制和影響，以及每個舵機(jī)在遙控器控制下運(yùn)動幅度的的大小和其它相關(guān)運(yùn)動情況。通過對仿生機(jī)器人內(nèi)部舵機(jī)的運(yùn)動范圍及幅度大小的觀察、記錄和分析，來了解通過單一舵機(jī)控制所能達(dá)成動作的不同變化以及機(jī)器人內(nèi)部的機(jī)械組成部分，還有舵機(jī)控制過程中對其他舵機(jī)造成的影響。

其次，分析頭部仿生機(jī)器人的面部結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其面部肌肉動作在臉部不同部位選取錨點(diǎn)?？梢栽诜律鷻C(jī)器人整個臉部選取21個不同的錨點(diǎn)，然后為不同的錨點(diǎn)定下原始三維坐標(biāo)。根據(jù)遙控器測試結(jié)果，將單一舵機(jī)運(yùn)動幅度最大值與此錨點(diǎn)中人體面部實(shí)際能動范圍相結(jié)合，進(jìn)一步推算其它各個錨點(diǎn)對此錨點(diǎn)作用范圍產(chǎn)生影響的關(guān)系，從而將此錨點(diǎn)在某種表情要求下需要達(dá)到的坐標(biāo)位置得出。

特定位置的錨點(diǎn)作用范圍根據(jù)仿生機(jī)器人的面部表情的變化，對該錨點(diǎn)的影響權(quán)值也會發(fā)生變化。通過多次同一個試驗(yàn)的分析和計(jì)算可以得出具體的數(shù)值。下面以頭部仿生機(jī)器人面部錨點(diǎn)蘋果肌最高點(diǎn)在高興表情中為例，如圖2，有8個點(diǎn)在此錨點(diǎn)作用范圍內(nèi)，分別在此錨點(diǎn)周圍八個不同位置。

圖2

Xa表示錨點(diǎn)

在錨點(diǎn)作用范圍內(nèi)的8個點(diǎn)會對錨點(diǎn)產(chǎn)生不同的影響，在表達(dá)高興的表情時，對此錨點(diǎn)產(chǎn)生最大影響的是上下兩個點(diǎn)，而對次錨點(diǎn)產(chǎn)生最小影響的是左右兩個點(diǎn)。所以，在表達(dá)高興的表情時，可以得出此錨點(diǎn)的坐標(biāo)位置為：

Xa=Wi*X1+Wi*X2+Wi*X3+Wi*X4+Wi*X5+Wi*X6+Wi*X7+Wi*X8

Wi∈（2/9,2/9,1/18,1/18,1/9,1/9,1/9,1/9,）

通過計(jì)算得出各種表情中錨點(diǎn)的理論坐標(biāo)之后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)編程，然后測試坐標(biāo)效果，根據(jù)測試結(jié)果觀察仿生機(jī)器人的臉部表情變化是否符合人體面目表情需要，從而多次調(diào)試以達(dá)到最理想的坐標(biāo)位置。這樣就基本確定各個表情下錨點(diǎn)的不同坐標(biāo)位置。

在對頭部仿生機(jī)器人面部表情與錨點(diǎn)不同動作的關(guān)系之后，開始采集編程所需的相關(guān)各點(diǎn)在不同表情中的位置數(shù)據(jù)，將頭部仿生機(jī)器人的已知動作變化，轉(zhuǎn)化為程序中通俗易懂的數(shù)字信息。

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對大量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程測試，最終精確融合面部各點(diǎn)動作與數(shù)據(jù)，成功達(dá)成在數(shù)據(jù)驅(qū)動基礎(chǔ)上對頭部仿生機(jī)器人的各種面部表情的控制目標(biāo)。

5.結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動控制頭部仿生機(jī)器人是一個復(fù)雜而繁瑣的過程，需要巨大的工作量。不僅要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，采集大量所需數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行多次調(diào)試和分析。并且在此過程中，頭部仿生機(jī)器人的各個軟、硬件部分以及機(jī)械組成部分都可能發(fā)生這樣那樣的故障。

只有不斷實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，不斷分析和驗(yàn)證，才能逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動對各個舵機(jī)的控制及其作用的發(fā)揮，最終將不同的面部表情完美呈現(xiàn)出來。

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