【正文】 小型移動機器人遠程控制系統(tǒng)設計畢業(yè)設計目 錄第1章 緒論 1 研究背景 1 國內外移動機器人遠程控制的研究現(xiàn)狀 2 移動機器人的研究 2 機器人遠程控制的研究 3 嵌入式技術的發(fā)展 6 幾種典型的嵌入式操作系統(tǒng) 7 嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢 8 課題來源與主要研究內容 9 論文的主要結構 10第2章 系統(tǒng)體系結構與硬件平臺設計 11 常見的機器人遠程控制系統(tǒng)架構 11 系統(tǒng)體系結構 13 機器人控制系統(tǒng)平臺 15 機器人運動控制與傳感信息采集 15 機器人服務器 16 客戶端 16 系統(tǒng)硬件平臺設計 16 主控制板 17 運動控制與內部傳感單元 18 其它 19 本章小結 20第3章 機器人控制系統(tǒng)平臺構建 21 嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)模式 21 系統(tǒng)引導裝載程序Bootloader開發(fā) 23 uboot啟動流程 24 uboot的移植 25 Linux內核的引導 27 Linux內核的移植 28 無線網(wǎng)卡與攝像頭設備驅動程序 30 USB無線網(wǎng)卡驅動程序移植 32 USB攝像頭驅動程序移植 33 本章小結 35第4章 機器人運動控制和傳感信息采集 36 機器人運動控制與內部傳感器信息采集 36 與上位機命令接口的定義與實現(xiàn) 36 機器人運動控制的實現(xiàn) 37 內部傳感器信息采集 39 行為控制 39 基于Video4Linux的USB攝像頭圖像采集 41 無線傳感器網(wǎng)絡接入 44 無線傳感器網(wǎng)絡與移動機器人的協(xié)作 44 無線傳感器網(wǎng)絡的信息提取 44 本章小結 45第5章 機器人網(wǎng)絡控制服務器和遠程Web監(jiān)控 46 機器人網(wǎng)絡控制服務器 46 Linux下的socket編程 46 機器人網(wǎng)絡控制服務器的接口定義與實現(xiàn) 47 機器人網(wǎng)絡控制客戶端程序示例 49 機器人遠程Web監(jiān)控 50 嵌入式Web服務器Boa的移植 51 CGI控制程序設計 52 機器人狀態(tài)信息查詢 54 無線傳感網(wǎng)絡信息發(fā)布 55 基于Web的圖像信息發(fā)布 56 基于Web的機器人運動控制 57 典型示范應用 58 本章小結 61第6章 總結和展望 62 工作總結 62 工作展望 63致 謝 64參考文獻 65攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研項目 6920第1章 緒論 研究背景互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展已經(jīng)使當代社會經(jīng)濟結構和人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，也給新世紀的機器人研究和開發(fā)開辟了新方向。基于網(wǎng)絡的機器人遠程控制日益受到了人們的重視，這是因為它可以使得操作人員遠離具有危險性的操作環(huán)境，避免人身傷害。面對日益復雜的應用環(huán)境，比如星際考察，水下作業(yè)等情況，必須要使控制者遠離作業(yè)地點完成需要完成的工作。網(wǎng)絡與機器人結合，建立基于網(wǎng)絡的機器人遠程控制體系就能有效的解決這個問題[1]。在當前的數(shù)字信息技術高速發(fā)展的后 PC時代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業(yè)和商業(yè)文化藝術、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專用計算機工業(yè)，其目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用；通用計算機的發(fā)展變?yōu)楣δ茈娔X，普遍進入社會，嵌入式計算機發(fā)展的目標是專用電腦，實現(xiàn)“普適化計算”，因此可以稱嵌入式智能系統(tǒng)是構成未來世界的“數(shù)字基因”。隨著國內外嵌入式產品如車載電腦、機頂盒等等的進一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。目前嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)在家庭和工業(yè)的各個領域得到了應用，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應用的階段，以 MCU 為核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設備配合實現(xiàn)一定的功能。Internet 現(xiàn)已成為社會重要的基礎信息設施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統(tǒng)能夠與 Internet 連接，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。其實將嵌入式系統(tǒng)與 Internet 結合起來的想法由來已久，但困難在于：Internet 的通信協(xié)議對計算機存儲器、運算速度等的要求較高，而嵌入式系統(tǒng)中大量存在的是 8 位和 16 位 MCU，根本無法提供足夠的資源支持 TCP/IP 等協(xié)議。因此，在此之前出現(xiàn)了若干種間接實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)接入 Internet 的方案，如Webit 技術、EMIT 技術（采用 PC 作為嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)關，稱為 emGateway，再由 emGateway 通過 RS23CAN 或射頻等總線與嵌入式系統(tǒng)連接）等。但是，今天隨著集成電路技術和軟件業(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，如 RTLinux、uCLinux 等。Linux 是一種免費的，開放源代碼的操作系統(tǒng)，它可應用于多種硬件平臺，微內核直接提供網(wǎng)絡支持，而不必象其他操作系統(tǒng)要外掛 TCP/IP 協(xié)議包。正是基于上述技術的飛速發(fā)展，使得我們可以將嵌入式Linux引入到移動機器人中，并開發(fā)出良好的人機交互環(huán)境，從而以較低的成本實現(xiàn)移動機器人的遠程控制。 國內外移動機器人遠程控制的研究現(xiàn)狀機器人的出現(xiàn)幫助人類擺脫了繁重和危險的體力勞動，作為機器人科學的一個重要部分，移動機器人一直是機器人科學研究的熱點之一，移動機器人能夠移動到固定機器人無法到達的預定位置，完成設定的操作任務。近年來對移動機器人的研究中，自主移動機器人的研究受到很多的關注，作為智能機器人的一種，自主機器人能夠按照預先給定的任務指令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程中，不斷感知周圍環(huán)境信息，引導機器人自身繞開障礙物，安全行駛到達指定目標，并執(zhí)行要求的動作和操作[2][3]。然而現(xiàn)有技術條件下，機器人不可能自主完成所有的任務，因此需要與人類智能結合，通過人觀測工作現(xiàn)場信息，得出行動策略，最后傳遞給機器人執(zhí)行。在危險環(huán)境或人們不易到達的地區(qū)，如輻射區(qū)、地下采礦、水下運載和航空航天等，操作人員不可能出現(xiàn)在工作現(xiàn)場，遠程控制技術的出現(xiàn)可以很好的解決這一難題。 移動機器人的研究移動機器人的研究始于60年代末期，斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年間研制出名為Shakey[4]移動機器人。目的是研究如何在復雜環(huán)境下將人工智能技術應用于機器人系統(tǒng)，以完成自主推理、規(guī)劃和控制的功能。該時期的移動機器人的研究，研究人員主要是研究在室內結構化環(huán)境下，移動機器人所有應用到的基本技術，包括機器人結構設計、控制技術、傳感器技術、信息融合、路徑規(guī)劃等。進入20世紀80年代，人們研究方向逐漸轉向到面向實際應用的室內移動機器人上[5]，并逐步形成了自主式移動機器人AMR（Autonomous Mobile Robot）概念。這時期的研究成果有美國海軍研究的RobartIamp。II，橡樹嶺國家實驗室的核電站機器人等。一大批世界著名公司和大學也加入到移動機器人研究工作中，開發(fā)的較著名的機器人實驗平臺有Martin公司的ALVin，F(xiàn)MC公司的ARV，RWI公司的microARTV，ActivMedia公司的pioneer2 DX[3]。國內對移動機器人的研究起步較晚，但經(jīng)過多年努力，也取得了一定成績。目前以清華大學研制THMR[1]系列比較著名。移動機器人的研究中，主要的研究方向涉及導航能力，其中包括地圖的建立、定位和路徑規(guī)劃，同時也緊密結合著多傳感器信息融合，控制結構的分布式，多機器人協(xié)作等多個方向，這些方面的研究工作的深入共同推動著移動機器人學科的發(fā)展。 機器人遠程控制的研究1948年，美國阿爾貢實驗所研制出一個應用原子堆操作的反饋式遠程操作機械手M1，這是遠程機器人的雛形，人工智能等學科的興起，推動了遠程機器人科學的進步。在空間領域，美國的NASA的火星探測器（如圖11）成功登陸火星進行了相關研究，德國的ROTEX艙內空間機器人系統(tǒng)在航天飛機的密封艙內進行了多種操作實驗。目前我國的機器人遠程操作還主要停留在實驗階段，相信隨著“神州”系列飛船的成功升天，和登月計劃的促進，我國的機器人遠程控制也將獲得有力發(fā)展。遠程機器人操作在軍事領域和民用領域都有著廣泛應用前景，可以完成探雷、處理爆破和偵查。最近的日益受到重視的反恐活動中，就已經(jīng)開始系統(tǒng)的使用機器人遠程操作技術協(xié)助完成反恐斗爭，而在人們日常生活中，這種技術也可以用在醫(yī)療、探測、建筑等領域，2002年的埃及金字塔探密活動就使用了一個遠程控制機器人，引起了廣泛興趣。Internet的高速發(fā)展和普及，相關Web技術的不斷升級進步，使得基于網(wǎng)絡的機器人控制成為可能?；诰W(wǎng)絡的機器人控制就是利用網(wǎng)絡實現(xiàn)對異地的機器人進行控制，使其依據(jù)控制者的意圖完成指定的任務。目前這方面的研究國內外也正如火如荼的進行中。“Cambridge coffeepot”[6]是第一個基于網(wǎng)絡的驅動設備，1980年出現(xiàn)在INTERNET網(wǎng)上。它觀察咖啡壺的狀態(tài)，通過網(wǎng)絡相機監(jiān)視咖啡壺的工作，并通過文本的界面和一個接口程序連接到咖啡壺上，控制壺的各種設置。由于互聯(lián)網(wǎng)的飛快進步和“Cambridge coffeepot”項目的成功運行，越來越多的遠程控制機器人的站點建立了起來?！癕ercury project”[7]是第一個允許網(wǎng)絡用戶遠程觀察和控制機器人的系統(tǒng)，1994年9月正式運行，它將一臺相機安裝到工業(yè)機械手臂上，用戶可以遠程控制它挖掘沙土中的文物，并觀察工作情況，如圖12。 圖11 火星探測器 圖12 Mercury Project1995年，Ken GoldBerg開發(fā)的Telegarden Project[8]是第一代網(wǎng)絡機器人的代表，如圖13所示，一個通過Internet遠程控制的工業(yè)機器人可以接受用戶指令實現(xiàn)在異地花園的灌溉和花草培育，用戶主要是通過安裝在機器人上的視頻設備反饋的圖像查看機器人工作情況，系統(tǒng)采用“FIFO”思想，對多個用戶排隊，由西澳大利亞大學研制。 圖13 Telegarden Project 圖14 TelerobotAustralia’s Telerobot[9]見圖14，是一個帶有攝象機的具有六個自由度的工業(yè)機器人，用戶可以通過網(wǎng)絡遠程控制它來擺設基于X、Y、Z坐標系的一些積木塊，用戶每控制一次，就得到一幅靜態(tài)的圖像，通過不斷更新的圖像來進行操作，由澳大利亞大學研制。. Mondana等人設計了如圖15的一個可在迷宮中運行的小移動機器人。它可使操作者在機器人本身視點視頻和外部視點視頻之間切換，來監(jiān)控機器人的運行[10]。第二代網(wǎng)絡機器人的研究更傾向于對移動機器人的研究，Reid Simmons和他的團隊在Carnegie Mellon University設計出了如圖16第一個具有智能功能的網(wǎng)絡移動機器人 Xavier[11]。Xavier從1995年開始上線接受網(wǎng)絡用戶的測評，用戶通過機器人上的視頻和傳感器監(jiān)視環(huán)境和機器人本身的情況，發(fā)送指令，Xavier接受指令后可以在樓內各層房間進行簡單的文件傳送，敲門，說話等活動。研究的重點是遠程用戶和智能機器人的互動協(xié)作。Xavier系統(tǒng)重視提高系統(tǒng)的自主性，對于在線互動，自主性非常重要，自主性降低了低寬帶和不可靠的通信影響。對于機器人的移動，指令發(fā)布只需要告訴機器人目的地和方向等簡單參數(shù)信息，這些信息通過低寬帶是完全可以準確傳輸?shù)?，而機器人的自主性能保證其正確處理任務執(zhí)行期間的各種異常情況，即使通信完全喪失，機器人仍能夠完成當前的任務，沒有任何導航模塊會因為喪失通信機制而受到影響，保證了機器人的安全性。目前Xavier的計算能力已經(jīng)翻番，并且具有標準的低寬帶機制，JAVA和視頻技術以及各種相關網(wǎng)絡通信協(xié)議也在系統(tǒng)中得到了廣泛應用。目前該系統(tǒng)可以通過很低的預處理信息量就能產生持續(xù)的低寬帶信息，和實時的視頻反饋。并且通過JAVA APPLET實時迅速的顯示地圖和位置信息。 圖15 KhpOnWeb 圖16 Xavier另一個受到好評的是The Museum tourguide robot[12] [13] [14]。該項目設計了三個WEB接口用于控制向導機器人以及它和人群的互動。向導機器人通過網(wǎng)絡帶領WEB用戶參觀兩個著名的博物館：位于波恩的Deutsches博物館以及華盛頓的Smithsonian國家歷史博物館?？刂瞥绦蛱峁┝烁黝惐韱蝸韺嵗o用戶的反饋信息比如用戶機器人的操作記錄，當前目標以及當前動作，也具備了低寬帶通信下更新機器人的控制狀態(tài)的能力。系統(tǒng)能夠獲取機器人相機的圖像也能夠通過各種代理機制在同一時刻服務多個用戶。國內在基于網(wǎng)絡的機器人遠程控制技術領域的研究目前也有了長足的進步。北京航天航空大學機器人研究所和海軍總醫(yī)院共同開發(fā)了一例遠程操作醫(yī)用機器人系統(tǒng)[19] [20]，利用網(wǎng)絡，醫(yī)療專家通過從手術間傳出的病人相關圖文信息，分析病人病情，作出手術規(guī)劃，再用鼠標遠程操作手術間的機器人，實施手術；清華大學開發(fā)的基于視覺臨場感的機器人遙操作系統(tǒng)，既可通過人機交互協(xié)調控制實現(xiàn)對機器人的監(jiān)控遙操作，同時又允許機器人基于傳感器對高層控制規(guī)劃進行修正，實現(xiàn)局部自主行為控制[21]；其它如中科院沈陽自動化研究所研制的主從異構的監(jiān)控遙操作系統(tǒng)[22]；哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)的空間機器人共享系統(tǒng)[23]；南開大學的基于互聯(lián)網(wǎng)主從式遙操作平臺[24]；上海交通大學的基于 Web 的機器人遙操作系統(tǒng)[25]；國防科技大學的基于 VR 技術的監(jiān)控式大時延機器人系統(tǒng)[26]；華南