【正文】 理工大學的基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機器人實時跟蹤系統(tǒng)[27]；東南大學的力覺臨場感遙操作系統(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2500億美元，國內(nèi)嵌入式軟件的產(chǎn)值也達到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)成為我國信息化帶動工業(yè)化、工業(yè)化促進信息化發(fā)展的新的國民經(jīng)濟增長點。隨著消費家電的智能化，嵌入式產(chǎn)品更顯重要，像我們平常見到的手機、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3Player、數(shù)字相機（DC）、數(shù)字攝像機（DV）、UDisk、機頂盒（SetTopBox）、高清電視（HDTV）、游戲機、智能玩具、交換機、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、汽車電子、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)用開發(fā)中，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（簡稱RTOS）能夠支持多任務(wù)，使得程序開發(fā)更加容易，便于維護，同時能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這已逐漸成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個發(fā)展方向。嵌入式實時操作系統(tǒng)典型產(chǎn)品如下：1. VxWorks[29]VxWorks是美國Wind River System公司（即風河公司）推出的一個實時操作系統(tǒng)。VxWorks是專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，為程序員提供了高效的實時多任務(wù)調(diào)度、中斷管理以及實時的任務(wù)間通信機制。VxWorks功能非常強大，包括進程管理、存儲管理、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)用等幾個部分。VxWorks的內(nèi)核只占用很小的存儲空間，并可高度裁剪，從而保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。2. LynxOSLynxOS與Unix兼容，符合POSIX標準，是專為要求快速響應(yīng)、復(fù)雜的實時應(yīng)用設(shè)計的。它能為任何一個Unix平臺上的應(yīng)用，提供源代碼級水平的兼容性。LynxOS支持多進程和多線程，可擴展性強。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，其最主要的特點是擁有與桌面型Windows系列一致的程序開發(fā)界面。因此，大部分Windows上開發(fā)的程序都能在WinCE上運行。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)存過大，應(yīng)用程序也很龐大。4. PalmOSPalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需應(yīng)用程序。目前有3500多個應(yīng)用程序運行在PalmOS上，其中大部分應(yīng)用程序為其它廠商和個人的開發(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)點是適用于多種CPU和多種硬件平臺，性能穩(wěn)定，裁剪性好，開發(fā)和使用都很容易。它是發(fā)展未來嵌入式設(shè)備的絕佳資源，具有廣泛的應(yīng)用前景。國內(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Linux為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個極有吸引力的選擇，它是個和Unix相似、以內(nèi)核為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護、多任務(wù)多進程的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計算機硬件，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，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 用戶熟悉的完善的開發(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 還提供了強大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種可選擇窗口管理器（X windows）。其強大的語言編譯器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，嵌入式Linux相對于另外幾種嵌入式操作系統(tǒng)，具有以下幾點獨特的優(yōu)勢：（1）使用成本低所有的商業(yè)操作系統(tǒng)都需要為每一個拷貝支付相當數(shù)量的費用。且商業(yè)操作系統(tǒng)下建立一個開發(fā)工具鏈，除了要為操作系統(tǒng)本身付費之外，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用。但是Linux是免費軟件，只要遵守GPL的規(guī)定，就可以免費獲得拷貝。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發(fā)包，從功能角度上看并不亞于商用開發(fā)包，同時可以極大的降低開發(fā)成本。（2）Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開放在Linux內(nèi)核代碼完全開放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要很容易對內(nèi)核進行改造，在低成本的前提下，設(shè)計和開發(fā)出真正自己需要的嵌入式系統(tǒng)，擯棄了許多商業(yè)軟件對用戶不透明，形同黑盒子的弊端。（3）完善的網(wǎng)絡(luò)支持功能可以說Linux是網(wǎng)絡(luò)的代名詞。沒有網(wǎng)絡(luò)就不可能有世界各地高手共同開發(fā)出來的操作系統(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準的因特網(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硬件上運行時非?？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)核運行起來也非常穩(wěn)定。（5）豐富的開發(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)的開發(fā)環(huán)境和交叉運行環(huán)境，并且可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。一般開發(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實現(xiàn)的，而使用Linux系統(tǒng)做原型的時候，可以饒過這個障礙，直接使用內(nèi)核調(diào)試器來做操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)試和查錯。（6）豐富的網(wǎng)絡(luò)資源Linux是一個自由開放的世界，在Linux（無論PC 還是嵌入式系統(tǒng)）上進行軟件開發(fā)都可以在廣袤的網(wǎng)絡(luò)資源中獲取幫助。 課題來源與主要研究內(nèi)容本課題來源于國家自然科學基金項目：傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動機器人動態(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目：自治體系統(tǒng)的分布式智能傳感、控制與協(xié)作（2005ABB021）。項目出發(fā)點是將傳感器網(wǎng)絡(luò)作為機器人的一種傳感資源，著眼于機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器人的可動態(tài)重構(gòu)框架，提出基于組件的開發(fā)模式。通過對系統(tǒng)資源的管理偵測、智能尋求資源匹配，建立通信機制，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機器人與Internet結(jié)合，構(gòu)建一個易于移植、可擴展、開放的、可重構(gòu)的系統(tǒng)控制框架。在該控制框架下，通過網(wǎng)絡(luò)建立一個遠程機器人控制和在線監(jiān)控系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容如下： (1) 怎樣構(gòu)建一個基于嵌入式系統(tǒng)的、開放的、可擴展的機器人控制系統(tǒng)平臺；(2) 如何實現(xiàn)移動機器人的運動控制與傳感器信息的采集，以及底層硬件對上層控制器的封裝；(3) 如何實現(xiàn)機器人與Internet的通訊，以及通訊接口的標準化；(4) 怎樣實現(xiàn)機器人的遠程監(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。主要包括系統(tǒng)的規(guī)劃、平臺的搭建、硬件的選型及設(shè)計等。第 3 章：介紹嵌入式Linux系統(tǒng)平臺的構(gòu)建及外圍設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)。主要包括嵌入式Linux系統(tǒng)的移植、USB無線網(wǎng)卡與USB攝像頭驅(qū)動的開發(fā)等。第4章：介紹機器人運動控制和傳感信息的采集。主要包括機器人運動控制的實現(xiàn)、內(nèi)部傳感器信息的獲取、攝像頭圖像采集，以及同上位機的通訊接口設(shè)計等。第5章： 介紹嵌入式Web的機器人遠程監(jiān)控和基于socket連接的機器人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實現(xiàn)。主要包括機器人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)、嵌入式Web服務(wù)器及CGI控制程序、基于網(wǎng)頁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，對全文作了總結(jié)，并指出自己所作的工作和創(chuàng)新點，以及系統(tǒng)需要進一步改進的地方。第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺設(shè)計 常見的機器人遠程控制系統(tǒng)架構(gòu)機器人遠程控制系統(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)。通過消息傳遞機制進行對話，客戶向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器進行相應(yīng)的處理后將結(jié)果返回用戶。在C/S模式中，客戶端需要操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、客戶機軟件和應(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)庫服務(wù)器。當軟件版本升級時，所有客戶端軟件均需要更新。B/S模式簡化了客戶端軟件，只需要安裝上瀏覽器作為客戶端應(yīng)用的運作平臺，而將所有的開發(fā)、維護和升級工作集中在服務(wù)器端?？蛻舳说墓ぷ魇鞘褂脼g覽器上網(wǎng)，向Web服務(wù)器發(fā)送請求，而由Web服務(wù)器處理請求，查詢數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行應(yīng)用程序，并將結(jié)果信息組織成超文本語言頁面發(fā)送給用戶，在用戶的瀏覽器上顯示。B/S模式可以做到與計算機軟硬件平臺的無關(guān)性和用戶界面的統(tǒng)一，另外升級、維護都集中在服務(wù)器端，這樣升級方便，成本低廉，確保了應(yīng)用程序開發(fā)的高品質(zhì)與低風險。因此，在現(xiàn)有的機器人遠程控制系統(tǒng)中，B/S模式比較常見。（1） Telerobot[32]Telerobot 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21 所示，采用Internet 服務(wù)器和機器人服務(wù)器組成的兩層服務(wù)器結(jié)構(gòu)把一臺PUMA562 機器人聯(lián)接到Internet 上，任何使用者都可以通過Web 瀏覽器進行物體的抓取和搬運。 Internet 服務(wù)器主要完成基于瀏覽器的交互式用戶界面和用戶數(shù)據(jù)庫的維護，機器人服務(wù)器完成PUMA562 機器人的控制、CCD 攝像機的圖像采集與壓縮，Internet 服務(wù)器和機器人服務(wù)器之間通過LAN 使用TCP/ IP 協(xié)議進行互聯(lián)。Telerobot 的Internet 服務(wù)器由三部分組成：Web 服務(wù)程序、用戶數(shù)據(jù)庫和Winsock 通訊程序，是一臺擁有靜態(tài)IP 地址的服務(wù)器；它在Windows NT4. 0 下運行Apache 3. 12 HTTP 服務(wù)程序。機器人服務(wù)器由三部分構(gòu)成：機器人控制、圖像采集/壓縮和WinSock通訊程序，是一臺運行Windows98 的工業(yè)計算機，其上安裝有機器人通訊控制卡、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)程序用戶數(shù)據(jù)庫網(wǎng)卡圖像采集與處理機器人服務(wù)器WinSock通訊程序機器人控制攝像機1攝像機2攝像機3Puma562……客戶N客戶1LAN圖21 Telerobot的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（2） 多機器人遠程控制系統(tǒng)[33]系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S) 分布式多級架構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22：第一層是瀏覽器，用戶通過瀏覽器登錄系統(tǒng)、注冊、控制機器人、進入論壇參與討論等；第二層是超文本傳輸協(xié)議服務(wù)器(HTTP) 服務(wù)器，負責接受瀏覽器發(fā)送的HTTP 請求( Get 或Post)，進行事務(wù)處理(與機器人本地控制系統(tǒng)通信傳送命令、連接數(shù)據(jù)庫、維持用戶隊列并管理控制權(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)入頁面內(nèi)嵌的播放器)，返回相應(yīng)的HTML 頁面給瀏覽器；第三層是數(shù)據(jù)源，包括數(shù)據(jù)庫、視頻服務(wù)器、攝像頭以及本地機器人控制系統(tǒng)。HTTP 服務(wù)器使用Apache1. 3. 22 作為HTTP 服務(wù)器，并利用Jakarta 工作組開發(fā)的“mod jk”插件來整合Tomcat 4. 0. 3，以提供對J ava 服務(wù)器頁面(JSP) 和Servlet的支持。機器人服務(wù)器控制對象為多臺Activmedia Pioneer 2 型移動機器人，服務(wù)器與機器人間通過無線局域網(wǎng)進行通信。視頻服務(wù)器采用Cambolt Pd312 型網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭采集機器人運動的圖像信息。網(wǎng)絡(luò)攝像頭圖像服務(wù)器本地PCInternet遠端用戶HTTP服務(wù)器無線通訊Pioneer 2移動機器人圖22 基于B/S模式的多機器人遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如上文所述，現(xiàn)有移動機器人的遠程控制系統(tǒng)采用專門的工控PC機作為機器人的控制服務(wù)器，并與機器人本體分離。顯然，這種控制方式的成本非常高昂，體積也過于龐大，無法適應(yīng)移動機器人的小型化、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，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)直接接入Internet 已經(jīng)變?yōu)榭赡?。在硬件上，?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，并已進入實用階段。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)引入到移動機器人中，從而以較低的成本實現(xiàn)移動機器人的遠程控制?；诖朔N思想，本課題設(shè)計了一個基于嵌入式Linux的移動機器人控制系統(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，即機器人控制系統(tǒng)平臺、機器人服務(wù)器、機器人運動控制與傳感信息采集、客戶端。遠程用戶可以利用機器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器提供的控制接口，對機器人進行編程控制；同時還可以網(wǎng)頁查看機器人上的Web服務(wù)器提供的機器人狀態(tài)信息、傳感數(shù)據(jù)和圖像信息等，監(jiān)視機器人的運動；另外，操作者還可以使用網(wǎng)頁上提供的機器人運動控制功能，來調(diào)整機器人的位置，設(shè)置機器人的工作參數(shù)等。多個機器人間則也可通過網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)進行通訊，實現(xiàn)信息共享。機器人運動控制與傳感信息采集圖像采集單元無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入運動控制與內(nèi)部傳感單元調(diào)速電機內(nèi)部傳感器機器人控制系統(tǒng)平臺