【正文】 理工大學(xué)的基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)[27]；東南大學(xué)的力覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作系統(tǒng)[28]等。 嵌入式技術(shù)的發(fā)展近幾年，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品漸漸完善，并在全世界各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。2005年，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)值已達(dá)2500億美元，國(guó)內(nèi)嵌入式軟件的產(chǎn)值也達(dá)到800億人民幣。目前，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用已經(jīng)成為我國(guó)信息化帶動(dòng)工業(yè)化、工業(yè)化促進(jìn)信息化發(fā)展的新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式產(chǎn)品更顯重要，像我們平常見(jiàn)到的手機(jī)、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3Player、數(shù)字相機(jī)（DC）、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（DV）、UDisk、機(jī)頂盒（SetTopBox）、高清電視（HDTV）、游戲機(jī)、智能玩具、交換機(jī)、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、汽車(chē)電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等等，都是典型的嵌入式系統(tǒng)。隨著Internet的迅速發(fā)展和廉價(jià)微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)將在日常生活里形成更大的應(yīng)用領(lǐng)域。 幾種典型的嵌入式操作系統(tǒng)隨著微處理器的產(chǎn)生，價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧的CPU 和外設(shè)連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構(gòu)，那么限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出表現(xiàn)在了軟件方面。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)RTOS）能夠支持多任務(wù)，使得程序開(kāi)發(fā)更加容易，便于維護(hù)，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這已逐漸成為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)發(fā)展方向。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)典型產(chǎn)品如下：1. VxWorks[29]VxWorks是美國(guó)Wind River System公司（即風(fēng)河公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、中斷管理以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信機(jī)制。VxWorks功能非常強(qiáng)大，包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分。VxWorks的內(nèi)核只占用很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁剪，從而保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。2. LynxOSLynxOS與Unix兼容，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，是專(zhuān)為要求快速響應(yīng)、復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的。它能為任何一個(gè)Unix平臺(tái)上的應(yīng)用，提供源代碼級(jí)水平的兼容性。LynxOS支持多進(jìn)程和多線程，可擴(kuò)展性強(qiáng)。3. WinCEWinCE是Microsoft公司推出的嵌入式操作系統(tǒng)，支持眾多的硬件平臺(tái)，其最主要的特點(diǎn)是擁有與桌面型Windows系列一致的程序開(kāi)發(fā)界面。因此，大部分Windows上開(kāi)發(fā)的程序都能在WinCE上運(yùn)行。但嵌入式操作系統(tǒng)追求高效、節(jié)省，而WinCE在這方面是笨拙的，它占用的內(nèi)存過(guò)大，應(yīng)用程序也很龐大。4. PalmOSPalmOS在PDA市場(chǎng)上占有很大的市場(chǎng)份額。它有開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開(kāi)發(fā)商可以根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)所需應(yīng)用程序。目前有3500多個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在PalmOS上，其中大部分應(yīng)用程序?yàn)槠渌鼜S商和個(gè)人的開(kāi)發(fā)，這使得PalmOS的功能得以不斷增多。5. Linux[30]Linux是一種提供源代碼、開(kāi)放式自由軟件，具有嵌入式操作系統(tǒng)的很多特色，突出的優(yōu)點(diǎn)是適用于多種CPU和多種硬件平臺(tái)，性能穩(wěn)定，裁剪性好，開(kāi)發(fā)和使用都很容易。它是發(fā)展未來(lái)嵌入式設(shè)備的絕佳資源，具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)也有不少的單位在Linux方面做了卓有成效的工作，如中科紅旗、拓林思等。 嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)Linux為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極有吸引力的選擇，它是個(gè)和Unix相似、以?xún)?nèi)核為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計(jì)算機(jī)硬件，包括MOTOROLA、X8Alpha、Sparc、MIPS、PPC、ARM、NEC 等現(xiàn)有的大部分芯片[31]。其軟件源碼全部公開(kāi)，任何人可以修改并在GNU 通用公共許可證（GNU General Public License）下發(fā)行。Linux 帶有Unix 用戶(hù)熟悉的完善的開(kāi)發(fā)工具，幾乎所有的Unix 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件都已移植到了Linux 上。Linux 還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種可選擇窗口管理器（X windows）。其強(qiáng)大的語(yǔ)言編譯器gcc、g++等也可以很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。 歸納起來(lái)，嵌入式Linux相對(duì)于另外幾種嵌入式操作系統(tǒng)，具有以下幾點(diǎn)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）使用成本低所有的商業(yè)操作系統(tǒng)都需要為每一個(gè)拷貝支付相當(dāng)數(shù)量的費(fèi)用。且商業(yè)操作系統(tǒng)下建立一個(gè)開(kāi)發(fā)工具鏈，除了要為操作系統(tǒng)本身付費(fèi)之外，還要為組成工具鏈的應(yīng)用軟件工具包支付大量的使用費(fèi)用。但是Linux是免費(fèi)軟件，只要遵守GPL的規(guī)定，就可以免費(fèi)獲得拷貝。Linux下有同樣遵循GPL規(guī)定的C，C++，Java等一系列的軟件工具開(kāi)發(fā)包，從功能角度上看并不亞于商用開(kāi)發(fā)包，同時(shí)可以極大的降低開(kāi)發(fā)成本。（2）Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開(kāi)放在Linux內(nèi)核代碼完全開(kāi)放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶(hù)可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要很容易對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造，在低成本的前提下，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出真正自己需要的嵌入式系統(tǒng)，擯棄了許多商業(yè)軟件對(duì)用戶(hù)不透明，形同黑盒子的弊端。（3）完善的網(wǎng)絡(luò)支持功能可以說(shuō)Linux是網(wǎng)絡(luò)的代名詞。沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)就不可能有世界各地高手共同開(kāi)發(fā)出來(lái)的操作系統(tǒng)—Linux，Linux的產(chǎn)生條件是網(wǎng)絡(luò)，生存條件也是網(wǎng)絡(luò)。這就是這一網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，Linux誕生于因特網(wǎng)并具有UNIX的特性，這就保證了它支持所有標(biāo)準(zhǔn)的因特網(wǎng)協(xié)議，并且可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開(kāi)發(fā)成為嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧。（4）極高的穩(wěn)定性Linux內(nèi)核非常的健壯，在PC硬件上運(yùn)行時(shí)非?？煽亢头€(wěn)定，特別是和現(xiàn)在流行的一些操作系統(tǒng)相比。移植到新微處理器ARM家族的Linux內(nèi)核運(yùn)行起來(lái)也非常穩(wěn)定。（5）豐富的開(kāi)發(fā)工具擁有整套工具鏈，能使我們更加容易建立嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，并且可以跨越嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中仿真工具的障礙。一般開(kāi)發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的程序調(diào)試和跟蹤都是使用仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而使用Linux系統(tǒng)做原型的時(shí)候，可以饒過(guò)這個(gè)障礙，直接使用內(nèi)核調(diào)試器來(lái)做操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)試和查錯(cuò)。（6）豐富的網(wǎng)絡(luò)資源Linux是一個(gè)自由開(kāi)放的世界，在Linux（無(wú)論P(yáng)C 還是嵌入式系統(tǒng)）上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)都可以在廣袤的網(wǎng)絡(luò)資源中獲取幫助。 課題來(lái)源與主要研究?jī)?nèi)容本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)特征與可重構(gòu)控制框架（60475031），和湖北省青年杰出人才基金項(xiàng)目：自治體系統(tǒng)的分布式智能傳感、控制與協(xié)作（2005ABB021）。項(xiàng)目出發(fā)點(diǎn)是將傳感器網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)器人的一種傳感資源，著眼于機(jī)器人本身的控制體系結(jié)構(gòu)分析。在分析其資源結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性和控制需求的基礎(chǔ)上，從資源管理、通信和控制角度研究機(jī)器人的可動(dòng)態(tài)重構(gòu)框架，提出基于組件的開(kāi)發(fā)模式。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源的管理偵測(cè)、智能尋求資源匹配，建立通信機(jī)制，消解資源沖突，提高控制的魯棒性。本文主要研究如何將移動(dòng)機(jī)器人與Internet結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)易于移植、可擴(kuò)展、開(kāi)放的、可重構(gòu)的系統(tǒng)控制框架。在該控制框架下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)器人控制和在線監(jiān)控系統(tǒng)。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： (1) 怎樣構(gòu)建一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)的、開(kāi)放的、可擴(kuò)展的機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)；(2) 如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與傳感器信息的采集，以及底層硬件對(duì)上層控制器的封裝；(3) 如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與Internet的通訊，以及通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)化；(4) 怎樣實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 論文的主要結(jié)構(gòu)論文其余部分的結(jié)構(gòu)如下：第2章：介紹系統(tǒng)的框架和總體設(shè)計(jì)。主要包括系統(tǒng)的規(guī)劃、平臺(tái)的搭建、硬件的選型及設(shè)計(jì)等。第 3 章：介紹嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建及外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。主要包括嵌入式Linux系統(tǒng)的移植、USB無(wú)線網(wǎng)卡與USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)等。第4章：介紹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和傳感信息的采集。主要包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部傳感器信息的獲取、攝像頭圖像采集，以及同上位機(jī)的通訊接口設(shè)計(jì)等。第5章： 介紹嵌入式Web的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控和基于socket連接的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。主要包括機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、嵌入式Web服務(wù)器及CGI控制程序、基于網(wǎng)頁(yè)的傳感信息與圖像信息的發(fā)布等。第6章：工作總結(jié)和展望。在這一章節(jié)中，對(duì)全文作了總結(jié)，并指出自己所作的工作和創(chuàng)新點(diǎn)，以及系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 常見(jiàn)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的構(gòu)建有C/S和B/S兩種模式。C/S模式是松散耦合結(jié)構(gòu)。通過(guò)消息傳遞機(jī)制進(jìn)行對(duì)話，客戶(hù)向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理后將結(jié)果返回用戶(hù)。在C/S模式中，客戶(hù)端需要操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、客戶(hù)機(jī)軟件和應(yīng)用軟件等幾層軟件，而在服務(wù)器端只有單純的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。當(dāng)軟件版本升級(jí)時(shí)，所有客戶(hù)端軟件均需要更新。B/S模式簡(jiǎn)化了客戶(hù)端軟件，只需要安裝上瀏覽器作為客戶(hù)端應(yīng)用的運(yùn)作平臺(tái)，而將所有的開(kāi)發(fā)、維護(hù)和升級(jí)工作集中在服務(wù)器端?？蛻?hù)端的工作是使用瀏覽器上網(wǎng)，向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，而由Web服務(wù)器處理請(qǐng)求，查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，執(zhí)行應(yīng)用程序，并將結(jié)果信息組織成超文本語(yǔ)言頁(yè)面發(fā)送給用戶(hù)，在用戶(hù)的瀏覽器上顯示。B/S模式可以做到與計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)的無(wú)關(guān)性和用戶(hù)界面的統(tǒng)一，另外升級(jí)、維護(hù)都集中在服務(wù)器端，這樣升級(jí)方便，成本低廉，確保了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的高品質(zhì)與低風(fēng)險(xiǎn)。因此，在現(xiàn)有的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，B/S模式比較常見(jiàn)。（1） Telerobot[32]Telerobot 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21 所示，采用Internet 服務(wù)器和機(jī)器人服務(wù)器組成的兩層服務(wù)器結(jié)構(gòu)把一臺(tái)PUMA562 機(jī)器人聯(lián)接到Internet 上，任何使用者都可以通過(guò)Web 瀏覽器進(jìn)行物體的抓取和搬運(yùn)。 Internet 服務(wù)器主要完成基于瀏覽器的交互式用戶(hù)界面和用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)，機(jī)器人服務(wù)器完成PUMA562 機(jī)器人的控制、CCD 攝像機(jī)的圖像采集與壓縮，Internet 服務(wù)器和機(jī)器人服務(wù)器之間通過(guò)LAN 使用TCP/ IP 協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)。Telerobot 的Internet 服務(wù)器由三部分組成：Web 服務(wù)程序、用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和Winsock 通訊程序，是一臺(tái)擁有靜態(tài)IP 地址的服務(wù)器；它在Windows NT4. 0 下運(yùn)行Apache 3. 12 HTTP 服務(wù)程序。機(jī)器人服務(wù)器由三部分構(gòu)成：機(jī)器人控制、圖像采集/壓縮和WinSock通訊程序，是一臺(tái)運(yùn)行Windows98 的工業(yè)計(jì)算機(jī)，其上安裝有機(jī)器人通訊控制卡、圖像采集卡和手爪控制器等硬件。這種兩層服務(wù)器結(jié)構(gòu)可以很好地分離網(wǎng)絡(luò)信息處理部分和機(jī)器人硬件控制部分，提高了系統(tǒng)的安全性和靈活性。網(wǎng)卡WinSock通訊程序Internet服務(wù)器Web服務(wù)程序用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)卡圖像采集與處理機(jī)器人服務(wù)器WinSock通訊程序機(jī)器人控制攝像機(jī)1攝像機(jī)2攝像機(jī)3Puma562……客戶(hù)N客戶(hù)1LAN圖21 Telerobot的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（2） 多機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[33]系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S) 分布式多級(jí)架構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22：第一層是瀏覽器，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器登錄系統(tǒng)、注冊(cè)、控制機(jī)器人、進(jìn)入論壇參與討論等；第二層是超文本傳輸協(xié)議服務(wù)器(HTTP) 服務(wù)器，負(fù)責(zé)接受瀏覽器發(fā)送的HTTP 請(qǐng)求( Get 或Post)，進(jìn)行事務(wù)處理(與機(jī)器人本地控制系統(tǒng)通信傳送命令、連接數(shù)據(jù)庫(kù)、維持用戶(hù)隊(duì)列并管理控制權(quán)限、連接圖像源以及利用端口映射工具將流媒體文件導(dǎo)入頁(yè)面內(nèi)嵌的播放器)，返回相應(yīng)的HTML 頁(yè)面給瀏覽器；第三層是數(shù)據(jù)源，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、視頻服務(wù)器、攝像頭以及本地機(jī)器人控制系統(tǒng)。HTTP 服務(wù)器使用Apache1. 3. 22 作為HTTP 服務(wù)器，并利用Jakarta 工作組開(kāi)發(fā)的“mod jk”插件來(lái)整合Tomcat 4. 0. 3，以提供對(duì)J ava 服務(wù)器頁(yè)面(JSP) 和Servlet的支持。機(jī)器人服務(wù)器控制對(duì)象為多臺(tái)Activmedia Pioneer 2 型移動(dòng)機(jī)器人，服務(wù)器與機(jī)器人間通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。視頻服務(wù)器采用Cambolt Pd312 型網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的圖像信息。網(wǎng)絡(luò)攝像頭圖像服務(wù)器本地PCInternet遠(yuǎn)端用戶(hù)HTTP服務(wù)器無(wú)線通訊Pioneer 2移動(dòng)機(jī)器人圖22 基于B/S模式的多機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如上文所述，現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用專(zhuān)門(mén)的工控PC機(jī)作為機(jī)器人的控制服務(wù)器，并與機(jī)器人本體分離。顯然，這種控制方式的成本非常高昂，體積也過(guò)于龐大，無(wú)法適應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人的小型化、群體化的要求。隨著集成電路技術(shù)和軟件業(yè)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)直接接入Internet 已經(jīng)變?yōu)榭赡堋Ｔ谟布?，?ARM、XScale、PowerPC 及 MC68K 等 32 位CPU 可以滿足嵌入式操作系統(tǒng)的要求；軟件方面，嵌入式 Linux 得到了蓬勃發(fā)展，并已進(jìn)入實(shí)用階段。嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，使得我們可以將嵌入式系統(tǒng)引入到移動(dòng)機(jī)器人中，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制?；诖朔N思想，本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Linux的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)上可以分為四大部分，如圖23所示，即機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)、機(jī)器人服務(wù)器、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與傳感信息采集、客戶(hù)端。遠(yuǎn)程用戶(hù)可以利用機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器提供的控制接口，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程控制；同時(shí)還可以網(wǎng)頁(yè)查看機(jī)器人上的Web服務(wù)器提供的機(jī)器人狀態(tài)信息、傳感數(shù)據(jù)和圖像信息等，監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；另外，操作者還可以使用網(wǎng)頁(yè)上提供的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制功能，來(lái)調(diào)整機(jī)器人的位置，設(shè)置機(jī)器人的工作參數(shù)等。多個(gè)機(jī)器人間則也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信息共享。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與傳感信息采集圖像采集單元無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接入運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元調(diào)速電機(jī)內(nèi)部傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)