【正文】 nix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)。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）。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。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)。（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。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)。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)。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)。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。當軟件版本升級時，所有客戶端軟件均需要更新。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。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。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。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?；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)。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Web服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器機器人服務(wù)器客戶端無線路由器Web瀏覽器遠程控制程序Internet圖23 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)與上文所述系統(tǒng)相比較，具有以下特點：1) 同時提供基于socket連接的機器人遠程控制服務(wù)和基于Web機器人遠程監(jiān)控服務(wù)，融合了C/S模式和B/S模式兩者的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)控制的靈活性；2) 機器人服務(wù)器，包括網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器、Web服務(wù)器和圖像采集系統(tǒng)，在一塊嵌入式控制板中來實現(xiàn)，并集成在移動機器人中，減少了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的規(guī)模；3) 與具體的應(yīng)用場景和控制策略無關(guān)，操作者可以根據(jù)任務(wù)的需要來配置不同的設(shè)備，采取不同的控制方式；4) 通過與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的連接，提升了移動機器人對環(huán)境的感知能力；5) 軟硬件接口和結(jié)構(gòu)標準化，增強系統(tǒng)的擴展能力；各模塊間均通過標準的RS232接口或USB接口進行連接，當需要擴展外部設(shè)備時，可以使用串口擴展卡或USB擴展卡來實現(xiàn)；6) 具有良好的模塊化和組件特征，各功能單元可以獨立的、并行的工作。實現(xiàn)了機器人對網(wǎng)絡(luò)的無線接入，滿足其移動性的要求；通過USB攝像頭實現(xiàn)對外部環(huán)境的圖像信息采集。多數(shù)機器人的這幾個部分是作為3個獨立單元來實現(xiàn)，即一塊電機驅(qū)動板，一塊傳感器采集板和一臺PC作為圖像服務(wù)器。 機器人服務(wù)器機器人服務(wù)器能為遠程用戶提供機器人的控制服務(wù)，一方面，它需要完成與遠程用戶的交互、任務(wù)的調(diào)度等，即接受用戶的指令，并返回機器人的執(zhí)行結(jié)果和運行狀態(tài)；另一方面，它需要與機器人的運動控制機構(gòu)和傳感采集模塊進行交互，控制機器人執(zhí)行用戶的命令。用戶可以根據(jù)任務(wù)的需要，選擇最優(yōu)的控制方式。主控制板基于S3C2410微處理器，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)；USB無線網(wǎng)卡連接到主控制板上，通過無線路由為機器人提供Internet接入；USB攝像頭則用來采集環(huán)境的圖像信息；運動控制與內(nèi)部傳感單元完成機器人驅(qū)動電機的控制，以及內(nèi)部傳感器信息的采集，如超聲波傳感器、電子羅盤和光敏傳感器等；無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊則可以將布置在環(huán)境中的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息提供給機器人。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB 的指令Cache 和16KB數(shù)據(jù)Cache。為滿足前述機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，主控制板引出了兩個USB HOST接口和3個UART接口。該控制板采用一片8位PIC18F8520單片機作為微控制器（MCU）。PIC18F8520采用16位的指令總線，8位的數(shù)據(jù)總線；內(nèi)部有2K的RAM，1K的數(shù)據(jù)存儲空間（EEPROM），32K的程序存儲空間（FLASH）；通用輸入輸出引腳（I/O）68個；有中斷優(yōu)先級（兩級）；4個外部中斷輸入引腳；有5個內(nèi)部定時器；5個捕捉/ 比較/PWM（CCP）模塊；16路模/數(shù)轉(zhuǎn)換（10位）接口；兩個通用同步/異步收發(fā)器（USART），支持RS232和RS485；主控同步串行端口模塊（MSSP），支持兩種工作模式（SPI和I2C）。馬達輸出口14PIC18F8520馬達輸出口58計 數(shù) 口 模擬輸入口數(shù)字輸入口串口 主控制板圖26 運動控制與內(nèi)部傳感單元硬件框圖 其它為滿足移動性和網(wǎng)絡(luò)化的要求，機器人需要以無線的方式接入Internet，系統(tǒng)通過在主控制USB HOST1處外接一個USB無線網(wǎng)卡，配合無線路由器，實現(xiàn)了此項功能。另外，系統(tǒng)在主控制板的USB HOST2外接了一個USB攝像頭來實現(xiàn)圖像信息的采集。在本系統(tǒng)中，機器人控制系統(tǒng)平臺為機器人服務(wù)器提供運行的軟硬件環(huán)境，硬件上由基于S3C2410處理器的主控制板，無線網(wǎng)卡和攝像頭組成，軟件上則是由移植到主控制板上的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，以及外圍設(shè)備的驅(qū)動組成。主控制板、無線網(wǎng)卡和攝像頭的硬件選型與設(shè)計在前文已有描述，本章將重點講述構(gòu)建該平臺時在軟件方面的幾點工作，包括：（1）系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader的開發(fā)；（2）Linux內(nèi)核移植；（3）USB無線網(wǎng)卡和USB攝像頭的設(shè)備驅(qū)動。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機（即一臺PC 機）上，對應(yīng)的開發(fā)板叫做目標板。在本系統(tǒng)開發(fā)的過程中，采用的是宿主機交叉編譯調(diào)試的開發(fā)方式。(2) TFTP服務(wù)的配置： 在PC機上執(zhí)行setup，選擇System services，將其中的tftp一項選中（出現(xiàn) [*]表示選中），并去掉ipchains和iptables兩項服務(wù)（即去掉它們前面的*號）。 系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader開發(fā)Bootloader[38] [39] ，也稱作引導(dǎo)裝載程序，是芯片復(fù)位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要用于完成由硬件啟動到操作系統(tǒng)啟動的過渡，從而為操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU、 堆棧、存儲器系統(tǒng)等。其中，uboot是souceforge網(wǎng)站上的一個開放源代碼的項目[40]。本系統(tǒng)使用的引導(dǎo)裝載程序也是基于uboot來實現(xiàn)。一個可執(zhí)行的Image必須有一個入口點，并且只能有一個全局入口，通常這個入口放在ROM(FLASH)的0x00000000地址處，因此，必須通知編譯器以使其知道這個入口，該工作可通過修改連接器腳本來完成。(5) 將ROM中的程序復(fù)制到RAM中。(2) 初始化FLASH設(shè)備。(6) 初始化相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，填寫IP、MAC地址等。在arm920t子目錄中包括有makefile、以及s3c24x0、at91rm9200等文件夾。其中，；；；。主要的移植步驟如下：1. 在board目錄下新建myboard目錄，并將board/smdk2410/目錄下的文件全部復(fù)制到board/myboard目錄下。4. 在/include/configs/，修改“define CONFIG_SMDK2410 1”為“define CONFIG_myboard 1”；設(shè)置FLASH和SDRAM的大小、起始地址等。在對該芯片的支持中，必須在底層完成對FLASH的擦除以及寫處理函數(shù)供上層調(diào)用，具體實現(xiàn)與存儲芯片的一套機制相關(guān)。圖33 uboot啟動信息 Linux內(nèi)核的引導(dǎo)當uboot在開發(fā)板上的移植完成以后，剩下就是要實現(xiàn)對Linux內(nèi)核的引導(dǎo)。2. 設(shè)置內(nèi)核的啟動參數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) tag 和 tag_header 定義在 Linux 內(nèi)核源碼的include/asm/ 頭文件中。4. 調(diào)用內(nèi)核。對于任何平臺，都必須包含以下幾個目錄：(1) /arch包含了所有硬件結(jié)構(gòu)特定的內(nèi)核代碼。(3) /fs包含了所有的文件系統(tǒng)的代碼。(5) /init包含了內(nèi)核的初始化代碼，內(nèi)核從此處開始工作，但不是系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼。(8) /mm包含了所有內(nèi)存管理代碼。ARMLinux已被成功運行在超過500種的機器平臺上，包括網(wǎng)絡(luò)計算設(shè)備、手持設(shè)備和各種評估板等。對每一個配置來說，內(nèi)核生成以后包括4個文件：沒有壓縮的內(nèi)核鏡像（zImage或bzImage），壓縮的內(nèi)核鏡像（vmlinux），內(nèi)核符號映射文件（）以及配置文件（config）。用戶的操作通過一組標準化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨立于特定的驅(qū)動程序。Linux把設(shè)備分為三大類，即字符設(shè)備（char device）、塊設(shè)備（block device）和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（network device）。USB設(shè)備驅(qū)動程序完全符合通用設(shè)備驅(qū)動的準則，不同的是內(nèi)核提供了一些特別的API函數(shù)，方便驅(qū)動注冊、銷毀自己，例如usb_resister( )和usb_deresister( )；2．4版的內(nèi)核還提供了對于hotplug的支持。應(yīng)用程序首先通過文件系統(tǒng)（POSIX）接口來訪問相應(yīng)的USB設(shè)備類驅(qū)動程序和USBD；USB設(shè)備類驅(qū)動程序則通過USBD提供的相關(guān)接口將數(shù)據(jù)請求包傳遞給USBD；USBD通過HCD提供的接口，進一步將數(shù)據(jù)包傳遞給HCD；HCD最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線上。在實現(xiàn)其驅(qū)動的過程中，筆者充分利用了開源社區(qū)的資源，體現(xiàn)開源Linux的優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用的是第二種方法，選用的USB無線網(wǎng)卡是NETGEAR公司提供的基于Prism3芯片的MA111。2) 在主控制板的控制臺中執(zhí)行“insmod /application/”和“insmod /application/”來動態(tài)加載驅(qū)動程序模塊。5) 執(zhí)行“ifconfig wlan0 ”。圖35是系統(tǒng)啟動后，無線網(wǎng)卡開始工作的畫面。在目前的Linux核心中，視頻部分的標準是Video for Linux(簡稱V4L)。在開源社區(qū)中，有一個專門針對在Linux系統(tǒng)下USB攝像頭驅(qū)動的項目 spca5xx USB Camera[46]，該項目目前已經(jīng)支持很多芯片，包括在市場上應(yīng)用最廣泛的采用中星微公司生產(chǎn)的zc301芯片的攝像頭。執(zhí)行“patch p1 ”。2) 重新配置和編譯內(nèi)核。圖36 攝像頭驅(qū)動加載信息 本章小結(jié)本章著重介紹了在構(gòu)建機器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)平臺的過程中，在軟件方面的幾點工作，包括引導(dǎo)裝載程序uboot的移植、Linux內(nèi)核的移植、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動的移植和USB攝像頭驅(qū)動的移植。為適應(yīng)小型移動機器人的特殊要求，本系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中，將一部分傳感器信息的采集和機器人運動控制合成在一塊控制板上，這樣不但可以滿足一般的運動控制和傳感信息采集，還可以將一些簡單的行為控制（如轉(zhuǎn)向、尋光等）放到該塊控制板上完成，提高了機器人控制的靈活性，減少了對上層控制器資源的占用?？紤]到PIC18F8520串口可以單字節(jié)收發(fā)的特性，為減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，命令采用兩級的方式定義，第一級命令只有一個字節(jié)，如表41所示：表41 一級命令說明cmd高級控制0x61繼續(xù)運行0x62暫停運行0x63狀態(tài)信息查詢0x64 目前，只有高級控制這個一級命令擁有二級的命令，二級命令有3個字節(jié)，如表42所示：表42 二級命令說明cmd_ucmd_hcmd_l啟動電機0x01通道號速度值前行0x03速度值持續(xù)時間（為0則一直前行）左轉(zhuǎn)指定角度0x04無轉(zhuǎn)動角度值右轉(zhuǎn)指定角度0x05無轉(zhuǎn)動角度值后退0x06速度值持續(xù)時間（為0則一直后退）轉(zhuǎn)動到指定方位0x08角度值（高位）角度值（低位）尋光0x0a無無……………………PIC18F8520上的串口采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，接口命令的解析主要在串口中斷中進行。該功能的實現(xiàn)使用了一個定時器和8個普通I/O口，通過在一個周期內(nèi)分段輸出8個電機的控制信號來完成對各個電機的同步控制。在定時器3的中斷處理例程中，首先要清除定時器3的中斷標志位，再判斷通道計數(shù)器speedbufpoint的值，若其小于8，則代表目前要進行的是本周期內(nèi)某個通道波形的輸出；若其等于8，則代表輸出的是第8通道的波形，此時則需要定本周期剩余的時間值，輸出本周期的結(jié)束標志；若其大于8，則表示本周期的所有波形已經(jīng)輸出完畢，需要開始進行下一周期的波形輸出。039。在具體實現(xiàn)過程中，采用了一個void sensor (unsigned char mand_h , unsigned char mand_l) 函數(shù)來進行調(diào)度。在本系統(tǒng)中，將一部分的傳感器信息檢測與機器人運動控制集成在了一塊控制板上，使得該控制板可以不依賴于其它部件，來獨立完成一些簡單的行為，如右轉(zhuǎn)指定角度、避障和尋光等。 destangle=currentangle+turnangle。amp。 } el