【正文】 非常適合小型機(jī)器人底層控制的要求。PIC系列單片機(jī)是由Microchip公司開發(fā)的微控制器，其突出的特點(diǎn)是低功耗，非常適用于各種低功率要求的應(yīng)用。主控制板硬件框圖如圖25所示。S3C2410處理器集成的外圍器件主要有外部存儲(chǔ)控制器(SDRAM控制和片選邏輯)、 LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)、3通道UART和兩通道SPI、2個(gè)USB主機(jī)端口和1個(gè)USB設(shè)備端口() 、117個(gè)通用I/O口和24通道外部中斷源、觸摸屏接口等。USBUSBFLASHSDRAMS3C2410微處理器主控制板無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊RS232運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感模塊RS232無(wú)線網(wǎng)卡攝像頭圖24 系統(tǒng)硬件框圖 主控制板為支持嵌入式Linux的運(yùn)行，機(jī)器人主控制板采用了Samsung 公司的微處理器S3C2410。 客戶端客戶端，即用戶的操作平臺(tái)，可以由一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)，或任何具備上網(wǎng)功能的PDA、智能手機(jī)等嵌入式終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人服務(wù)器構(gòu)建在機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)之上，由兩部分組成，即機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器和Web監(jiān)控服務(wù)器。為適應(yīng)小型移動(dòng)機(jī)器人的要求，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，將內(nèi)部傳感器信息的采集和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制合成在一塊控制板上，這樣不斷可以滿足一般的運(yùn)動(dòng)控制和傳感信息采集，還可以將一些簡(jiǎn)單的行為控制（如轉(zhuǎn)向、尋光等）放到該塊控制板上完成，提高了機(jī)器人控制的效率，以及靈活性。另外，機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)同機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)接入單元通過(guò)RS232接口連接。 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)隨著嵌入式處理器不斷發(fā)展，以及嵌入式軟件的不斷進(jìn)步，嵌入式設(shè)備的計(jì)算能力和功能得到了極大的提升。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、客戶端。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?。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。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。（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)。B/S模式簡(jiǎn)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(yùn)作平臺(tái)，而將所有的開發(fā)、維護(hù)和升級(jí)工作集中在服務(wù)器端。C/S模式是松散耦合結(jié)構(gòu)。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。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)的開發(fā)等。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)。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，提出基于組件的開發(fā)模式。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(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)。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)議棧將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧。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(shí)可以極大的降低開發(fā)成本。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。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]。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(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，開發(fā)和使用都很容易。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。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。VxWorks是專門為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(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。 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。Player、數(shù)字相機(jī)（DC）、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（DV）、UDisk、機(jī)頂盒（Set 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。控制程序提供了各類表單來(lái)實(shí)例化給用戶的反饋信息比如用戶機(jī)器人的操作記錄，當(dāng)前目標(biāo)以及當(dāng)前動(dòng)作，也具備了低寬帶通信下更新機(jī)器人的控制狀態(tài)的能力。并且通過(guò)JAVA APPLET實(shí)時(shí)迅速的顯示地圖和位置信息。Xavier系統(tǒng)重視提高系統(tǒng)的自主性，對(duì)于在線互動(dòng)，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。它可使操作者在機(jī)器人本身視點(diǎn)視頻和外部視點(diǎn)視頻之間切換，來(lái)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行[10]。“Mercury project”[7]是第一個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)用戶遠(yuǎn)程觀察和控制機(jī)器人的系統(tǒng)，1994年9月正式運(yùn)行，它將一臺(tái)相機(jī)安裝到工業(yè)機(jī)械手臂上，用戶可以遠(yuǎn)程控制它挖掘沙土中的文物，并觀察工作情況，如圖12。目前這方面的研究國(guó)內(nèi)外也正如火如荼的進(jìn)行中。遠(yuǎn)程機(jī)器人操作在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用前景，可以完成探雷、處理爆破和偵查。移動(dòng)機(jī)器人的研究中，主要的研究方向涉及導(dǎo)航能力，其中包括地圖的建立、定位和路徑規(guī)劃，同時(shí)也緊密結(jié)合著多傳感器信息融合，控制結(jié)構(gòu)的分布式，多機(jī)器人協(xié)作等多個(gè)方向，這些方面的研究工作的深入共同推動(dòng)著移動(dòng)機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展。II，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核電站機(jī)器人等。目的是研究如何在復(fù)雜環(huán)境下將人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，以完成自主推理、規(guī)劃和控制的功能。近年來(lái)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究中，自主移動(dòng)機(jī)器人的研究受到很多的關(guān)注，作為智能機(jī)器人的一種，自主機(jī)器人能夠按照預(yù)先給定的任務(wù)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(jìn)過(guò)程中，不斷感知周圍環(huán)境信息，引導(dǎo)機(jī)器人自身繞開障礙物，安全行駛到達(dá)指定目標(biāo)，并執(zhí)行要求的動(dòng)作和操作[2][3]。在硬件上，有 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，如 RTLinux、uCLinux 等。Internet 現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)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(gè)地方。在當(dāng)前的數(shù)字信息技術(shù)高速發(fā)展的后 PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂(lè)業(yè)以及人們的日常生活等方方面面中。小型移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第1章 緒論 1 研究背景 1 國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究現(xiàn)狀 2 移動(dòng)機(jī)器人的研究 2 機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究 3 嵌入式技術(shù)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(shì) 8 課題來(lái)源與主要研究?jī)?nèi)容 9 論文的主要結(jié)構(gòu) 10第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 11 常見的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu) 11 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 13 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái) 15 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與傳感信息采集 15 機(jī)器人服務(wù)器 16 客戶端 16 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 16 主控制板 17 運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元 18 其它 19 本章小結(jié) 20第3章 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建 21 嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)模式 21 系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader開發(fā) 23 uboot啟動(dòng)流程 24 uboot的移植 25 Linux內(nèi)核的引導(dǎo) 27 Linux內(nèi)核的移植 28 無(wú)線網(wǎng)卡與攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 30 USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序移植 32 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序移植 33 本章小結(jié) 35第4章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和傳感信息采集 36 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感器信息采集 36 與上位機(jī)命令接口的定義與實(shí)現(xiàn) 36 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) 37 內(nèi)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入 44 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)作 44 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息提取 44 本章小結(jié) 45第5章 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器和遠(yuǎn)程Web監(jiān)控 46 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器 46 Linux下的socket編程 46 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器的接口定義與實(shí)現(xiàn) 47 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制客戶端程序示例 49 機(jī)器人遠(yuǎn)程Web監(jiān)控 50 嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植 51 CGI控制程序設(shè)計(jì) 52 機(jī)器人狀態(tài)信息查詢 54 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布 55 基于Web的圖像信息發(fā)布 56 基于Web的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制 57 典型示范應(yīng)用 58 本章小結(jié) 61第6章 總結(jié)和展望 62 工作總結(jié) 62 工作展望 63致 謝 64參考文獻(xiàn) 65攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研項(xiàng)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(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，也給新世紀(jì)的機(jī)器人研究和開發(fā)開辟了新方向。網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人結(jié)合，建立基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制體系就能有效的解決這個(gè)問(wèn)題[1]。目前嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)在家庭和工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以 MCU 為核心，與一些監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。但是，今天隨著集成電路技術(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?國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究現(xiàn)狀機(jī)器人的出現(xiàn)幫助人類擺脫了繁重和危險(xiǎn)的體力勞動(dòng)，作為機(jī)器人科學(xué)的一個(gè)重要部分，移動(dòng)機(jī)器人一直是機(jī)器人科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，移動(dòng)機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的預(yù)定位置，完成設(shè)定的操作任務(wù)。 移動(dòng)機(jī)器人的研究移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人。這時(shí)期的研究成果有美國(guó)海軍研究的RobartIamp。目前以清華大學(xué)研制THMR[1]系列比較著名。目前我國(guó)的機(jī)器人遠(yuǎn)程操作還主要停留在實(shí)驗(yàn)階段，相信隨著“神州”系列飛船的成功升天，和登月計(jì)劃的促進(jìn)，我國(guó)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制也將獲得有力發(fā)展?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制就是利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)異地的機(jī)器人進(jìn)行控制，使其依據(jù)控制者的意圖完成指定的任務(wù)。由于互聯(lián)網(wǎng)的飛快進(jìn)步和“Cambridge coffeepot”項(xiàng)目的成功運(yùn)行，越來(lái)越多的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的站點(diǎn)建立了起來(lái)。. Mondana等人設(shè)計(jì)了如圖15的一個(gè)可在迷宮中運(yùn)行的小移動(dòng)機(jī)器人。研究的重點(diǎn)是遠(yuǎn)程用戶和智能機(jī)器人的互動(dòng)協(xié)作。目前該系統(tǒng)可以通過(guò)很低的預(yù)處理信息量就能產(chǎn)生持續(xù)的低寬帶信息，和實(shí)時(shí)的視頻反饋。向?qū)C(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)帶領(lǐng)WEB用戶參觀兩個(gè)著名的博物館：位于波恩的Deutsches博物館以及華盛頓的Smithsonian國(guó)家歷史博物館。北京航天航空大學(xué)機(jī)器人研究所和海軍總醫(yī)院共同開發(fā)了一例遠(yuǎn)程操作醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)[19] [20]，利用網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)療專家通過(guò)從手術(shù)間傳出的病人相關(guān)圖文信息，分析病人病情，作出手術(shù)規(guī)劃，再用鼠標(biāo)遠(yuǎn)程操作手術(shù)間的機(jī)器人，實(shí)施手術(shù)；清華大學(xué)開發(fā)的基于視覺(jué)臨場(chǎng)感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，既可通過(guò)人機(jī)交互協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的監(jiān)控遙操作，同時(shí)又允許機(jī)器人基于傳感器對(duì)高層控制規(guī)劃進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)局部自主行為控制[21]；其它如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的主從異構(gòu)的監(jiān)控遙操作系統(tǒng)[22]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的空間機(jī)器人共享系統(tǒng)[23]；南開大學(xué)的基于互聯(lián)網(wǎng)主從式遙操作平臺(tái)[24]；上海交通大學(xué)的基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)[25]；國(guó)防科技大學(xué)的基于 VR 技術(shù)的監(jiān)控式大時(shí)延機(jī)器人系統(tǒng)[26]；華南理工大學(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。隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式產(chǎn)品更顯重要，像我們平常見到的手機(jī)、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3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。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)。2. LynxOSLynxOS與Unix兼容，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，是專為要求快速響應(yīng)、復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的。因此，大部分Windows上開發(fā)的程序都能在WinCE上運(yùn)行。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)人的開發(fā)，這使得PalmOS的功能得以不斷增多。 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U