【正文】 amp。在本系統(tǒng)中，將一部分的傳感器信息檢測(cè)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制集成在了一塊控制板上，使得該控制板可以不依賴(lài)于其它部件，來(lái)獨(dú)立完成一些簡(jiǎn)單的行為，如右轉(zhuǎn)指定角度、避障和尋光等。039。該功能的實(shí)現(xiàn)使用了一個(gè)定時(shí)器和8個(gè)普通I/O口，通過(guò)在一個(gè)周期內(nèi)分段輸出8個(gè)電機(jī)的控制信號(hào)來(lái)完成對(duì)各個(gè)電機(jī)的同步控制。為適應(yīng)小型移動(dòng)機(jī)器人的特殊要求，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，將一部分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，這樣不但可以滿(mǎn)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)器人控制的靈活性，減少了對(duì)上層控制器資源的占用。2) 重新配置和編譯內(nèi)核。在開(kāi)源社區(qū)中，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)在Linux系統(tǒng)下USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目 spca5xx USB Camera[46]，該項(xiàng)目目前已經(jīng)支持很多芯片，包括在市場(chǎng)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。圖35是系統(tǒng)啟動(dòng)后，無(wú)線網(wǎng)卡開(kāi)始工作的畫(huà)面。2) 在主控制板的控制臺(tái)中執(zhí)行“insmod /application/”和“insmod /application/”來(lái)動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)程序模塊。在實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，筆者充分利用了開(kāi)源社區(qū)的資源，體現(xiàn)開(kāi)源Linux的優(yōu)勢(shì)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完全符合通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)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(dòng)注冊(cè)、銷(xiāo)毀自己，例如usb_resister( )和usb_deresister( )；2．4版的內(nèi)核還提供了對(duì)于hotplug的支持。用戶(hù)的操作通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，而這些調(diào)用獨(dú)立于特定的驅(qū)動(dòng)程序。ARMLinux已被成功運(yùn)行在超過(guò)500種的機(jī)器平臺(tái)上，包括網(wǎng)絡(luò)計(jì)算設(shè)備、手持設(shè)備和各種評(píng)估板等。(5) /init包含了內(nèi)核的初始化代碼，內(nèi)核從此處開(kāi)始工作，但不是系統(tǒng)的引導(dǎo)代碼。對(duì)于任何平臺(tái)，都必須包含以下幾個(gè)目錄：(1) /arch包含了所有硬件結(jié)構(gòu)特定的內(nèi)核代碼。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。圖33 uboot啟動(dòng)信息 Linux內(nèi)核的引導(dǎo)當(dāng)uboot在開(kāi)發(fā)板上的移植完成以后，剩下就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux內(nèi)核的引導(dǎo)。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。其中，；；；。(6) 初始化相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，填寫(xiě)IP、MAC地址等。(5) 將ROM中的程序復(fù)制到RAM中。本系統(tǒng)使用的引導(dǎo)裝載程序也是基于uboot來(lái)實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader開(kāi)發(fā)Bootloader[38] [39] ，也稱(chēng)作引導(dǎo)裝載程序，是芯片復(fù)位后進(jìn)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(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)渡，從而為操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境，如初始化CPU、 堆棧、存儲(chǔ)器系統(tǒng)等。在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，采用的是宿主機(jī)交叉編譯調(diào)試的開(kāi)發(fā)方式。主控制板、無(wú)線網(wǎng)卡和攝像頭的硬件選型與設(shè)計(jì)在前文已有描述，本章將重點(diǎn)講述構(gòu)建該平臺(tái)時(shí)在軟件方面的幾點(diǎn)工作，包括：（1）系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader的開(kāi)發(fā)；（2）Linux內(nèi)核移植；（3）USB無(wú)線網(wǎng)卡和USB攝像頭的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。另外，系統(tǒng)在主控制板的USB HOST2外接了一個(gè)USB攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集。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(chǔ)空間（EEPROM），32K的程序存儲(chǔ)空間（FLASH）；通用輸入輸出引腳（I/O）68個(gè)；有中斷優(yōu)先級(jí)（兩級(jí)）；4個(gè)外部中斷輸入引腳；有5個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；5個(gè)捕捉/ 比較/PWM（CCP）模塊；16路模/數(shù)轉(zhuǎn)換（10位）接口；兩個(gè)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）。為滿(mǎn)足前述機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，主控制板引出了兩個(gè)USB HOST接口和3個(gè)UART接口。主控制板基于S3C2410微處理器，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)；USB無(wú)線網(wǎng)卡連接到主控制板上，通過(guò)無(wú)線路由為機(jī)器人提供Internet接入；USB攝像頭則用來(lái)采集環(huán)境的圖像信息；運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元完成機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(pán)和光敏傳感器等；無(wú)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(jī)器人。 機(jī)器人服務(wù)器機(jī)器人服務(wù)器能為遠(yuǎn)程用戶(hù)提供機(jī)器人的控制服務(wù)，一方面，它需要完成與遠(yuǎn)程用戶(hù)的交互、任務(wù)的調(diào)度等，即接受用戶(hù)的指令，并返回機(jī)器人的執(zhí)行結(jié)果和運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，它需要與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和傳感采集模塊進(jìn)行交互，控制機(jī)器人執(zhí)行用戶(hù)的命令。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入，滿(mǎn)足其移動(dòng)性的要求；通過(guò)USB攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的圖像信息采集?；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)。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。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)。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。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)。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。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)。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）。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。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。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。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(kāi)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(zhuān)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(kāi)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(kāi)發(fā)的空間機(jī)器人共享系統(tǒng)[23]；南開(kāi)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。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。. 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?；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)。目前以清華大學(xué)研制THMR[1]系列比較著名。 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。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＞W(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]。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(lèi)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。在硬件上，有 ARM、XScale、PowerPC 及 MC68K 等 32 位CPU 可以滿(mǎn)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。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。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。目前這方面的研究國(guó)內(nèi)外也正如火如荼的進(jìn)行中。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]。并且通過(guò)JAVA APPLET實(shí)時(shí)迅速的顯示地圖和位置信息。 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。 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。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。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。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。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。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。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。C/S模式是松散耦合結(jié)構(gòu)。（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)。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。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。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。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。主控制板硬件框圖如圖25所示。這款芯片接口豐富，性?xún)r(jià)比高，非常適合小型機(jī)器人底層控制的要求。 本章小結(jié)本章首先介紹了幾種常見(jiàn)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制架構(gòu)；然后針對(duì)機(jī)器人小型化和群體化的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Linux的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)架構(gòu)中的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了分析。 嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式絕大多數(shù)的Linux 軟件開(kāi)發(fā)都是以native 方式進(jìn)行的，即本機(jī)開(kāi)發(fā)、調(diào)試，本機(jī)運(yùn)行的方式。GNU交叉編譯器選擇的是armv4lunknownlinuxgcc。Bootloader代碼與CPU芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、具體型號(hào)、應(yīng)用系統(tǒng)的配置及使用的操作系統(tǒng)等因素有關(guān)，其功能類(lèi)似于PC機(jī)的BIOS程序。 uboot啟動(dòng)流程uboot可以分為stage1和stage2兩大部分。(6) 初始化堆棧。(7) 進(jìn)入命令循環(huán)，接受用戶(hù)從串口輸入的命令，然后進(jìn)行相應(yīng)的工作。(3) lib_armARM體系結(jié)構(gòu)下的相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼，、。5. 根據(jù)主控制板存儲(chǔ)設(shè)備的配置情況，修改/board/myboard/ ，設(shè)置各個(gè)bank的控制器參數(shù)，如SDRAM的刷新頻率、數(shù)據(jù)位寬度等。這部分工作主要是由/lib_arm/，可以在已有的文件基礎(chǔ)上根據(jù)控制板參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷募纯伞?. 設(shè)置命令行參數(shù)。移植工作的重點(diǎn)就是移植arch目錄下的文件。這是研究核心如何工作的好起點(diǎn)。這其中已經(jīng)包括了基于S3C2410處理器的計(jì)算設(shè)備。將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件的設(shè)備特有操作上，則是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)。Linux USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)由三部分組成：（1） USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)（HCD）：是USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中直接與硬件交互的軟件模塊，其主要功能有：主機(jī)控制器硬件初始化；為USBD層提供相應(yīng)的接口函數(shù)；提供根HUB(ROOT HUB)設(shè)備配置、控制功能；完成4種類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序移植在Linux下驅(qū)動(dòng)USB無(wú)線網(wǎng)卡，除了按常規(guī)的做法進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)外（工作量非常大），還可以使用以下兩種途徑：1. ndiswrapper[44]ndiswrapper通過(guò)在Linux平臺(tái)上虛擬windows的api，然后用windows下的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡。3