【正文】 amp。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。039。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。為適應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。2) 重新配置和編譯內(nèi)核。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)啟動后，無線網(wǎng)卡開始工作的畫面。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。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。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。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。ARMLinux已被成功運行在超過500種的機器平臺上，包括網(wǎng)絡計算設(shè)備、手持設(shè)備和各種評估板等。(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)的引導代碼。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。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啟動信息 Linux內(nèi)核的引導當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。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)絡設(shè)備，填寫IP、MAC地址等。(5) 將ROM中的程序復制到RAM中。本系統(tǒng)使用的引導裝載程序也是基于uboot來實現(xiàn)。 系統(tǒng)引導裝載程序Bootloader開發(fā)Bootloader[38] [39] ，也稱作引導裝載程序，是芯片復位后進入操作系統(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。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。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。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。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）。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。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)絡接入模塊則可以將布置在環(huán)境中的傳感器網(wǎng)絡收集的信息提供給機器人。 機器人服務器機器人服務器能為遠程用戶提供機器人的控制服務，一方面，它需要完成與遠程用戶的交互、任務的調(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。實現(xiàn)了機器人對網(wǎng)絡的無線接入，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?；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)。HTTP 服務器使用Apache1. 3. 22 作為HTTP 服務器，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 服務器頁面(JSP) 和Servlet的支持。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。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。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)。項目出發(fā)點是將傳感器網(wǎng)絡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。沒有網(wǎng)絡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，生存條件也是網(wǎng)絡。Linux 還提供了強大的網(wǎng)絡功能，有多種可選擇窗口管理器（X windows）。目前有3500多個應用程序運行在PalmOS上，其中大部分應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。2. LynxOSLynxOS與Unix兼容，符合POSIX標準，是專為要求快速響應、復雜的實時應用設(shè)計的。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用領(lǐng)域。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(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，再用鼠標遠程操作手術(shù)間的機器人，實施手術(shù)；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(diào)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(gòu)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(shù)的監(jiān)控式大時延機器人系統(tǒng)[26]；華南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。目前該系統(tǒng)可以通過很低的預處理信息量就能產(chǎn)生持續(xù)的低寬帶信息，和實時的視頻反饋。. Mondana等人設(shè)計了如圖15的一個可在迷宮中運行的小移動機器人?；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。目前以清華大學研制THMR[1]系列比較著名。 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。但是，今天隨著集成電路技術(shù)和軟件業(yè)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)直接接入Internet 已經(jīng)變?yōu)榭赡?。網(wǎng)絡與機器人結(jié)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(shù)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(shè)計、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂業(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。目的是研究如何在復雜環(huán)境下將人工智能技術(shù)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。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(jié)合著多傳感器信息融合，控制結(jié)構(gòu)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。目前這方面的研究國內(nèi)外也正如火如荼的進行中。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]。并且通過JAVA APPLET實時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Unix平臺上的應用，提供源代碼級水平的兼容性。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。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。這就是這一網(wǎng)絡操作系統(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)絡協(xié)議棧將其開發(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。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。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 服務器和機器人服務器組成的兩層服務器結(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。機器人服務器控制對象為多臺Activmedia Pioneer 2 型移動機器人，服務器與機器人間通過無線局域網(wǎng)進行通信。系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)上可以分為四大部分，如圖23所示，即機器人控制系統(tǒng)平臺、機器人服務器、機器人運動控制與傳感信息采集、客戶端。另外，機器人控制系統(tǒng)平臺同機器人運動控制與內(nèi)部傳感單元、無線傳感網(wǎng)絡接入單元通過RS232接口連接。機器人服務器構(gòu)建在機器人控制系統(tǒng)平臺之上，由兩部分組成，即機器人網(wǎng)絡控制服務器和Web監(jiān)控服務器。USBUSBFLASHSDRAMS3C2410微處理器主控制板無線傳感網(wǎng)絡接入模塊RS232運動控制與內(nèi)部傳感模塊RS232無線網(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的運行，機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，性價比高，非常適合小型機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的機器人遠程控制架構(gòu)；然后針對機器人小型化和群體化的發(fā)展趨勢，設(shè)計了一個基于嵌入式Linux的移動機器人運程控制系統(tǒng)架構(gòu)，并對架構(gòu)中的各個部分的設(shè)計思想進行了分析。 嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)模式絕大多數(shù)的Linux 軟件開發(fā)都是以native 方式進行的，即本機開發(fā)、調(diào)試，本機運行的方式。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、應用系統(tǒng)的配置及使用的操作系統(tǒng)等因素有關(guān)，其功能類似于PC機的BIOS程序。 uboot啟動流程uboot可以分為stage1和stage2兩大部分。(6) 初始化堆棧。(7) 進入命令循環(huán)，接受用戶從串口輸入的命令，然后進行相應的工作。(3) lib_armARM體系結(jié)構(gòu)下的相關(guān)實現(xiàn)代碼，、。5. 根據(jù)主控制板存儲設(shè)備的配置情況，修改/board/myboard/ ，設(shè)置各個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)進行適當?shù)男薷募纯伞?. 設(shè)置命令行參數(shù)。移植工作的重點就是移植arch目錄下的文件。這是研究核心如何工作的好起點。這其中已經(jīng)包括了基于S3C2410處理器的計算設(shè)備。將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件的設(shè)備特有操作上，則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務。Linux USB主機驅(qū)動由三部分組成：（1） USB主機控制器驅(qū)動（HCD）：是USB主機驅(qū)動程序中直接與硬件交互的軟件模塊，其主要功能有：主機控制器硬件初始化；為USBD層提供相應的接口函數(shù)；提供根HUB(ROOT HUB)設(shè)備配置、控制功能；完成4種類型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序移植在Linux下驅(qū)動USB無線網(wǎng)卡，除了按常規(guī)的做法進行代碼開發(fā)外（工作量非常大），還可以使用以下兩種途徑：1. ndiswrapper[44]ndiswrapper通過在Linux平臺上虛擬windows的api，然后用windows下的驅(qū)動程序來驅(qū)動網(wǎng)卡。3