【文章內(nèi)容簡介】 貝支付相當(dāng)數(shù)量的費(fèi)用。且商業(yè)操作系統(tǒng)下建立一個開發(fā)工具鏈，除了要為操作系統(tǒng)本身付費(fèi)之外，還要為組成工具鏈的應(yīng)用軟件工具包支付大量的使用費(fèi)用。但是Linux是免費(fèi)軟件，只要遵守GPL的規(guī)定，就可以免費(fèi)獲得拷貝。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。（2）Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開放在Linux內(nèi)核代碼完全開放的前提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要很容易對內(nèi)核進(jìn)行改造，在低成本的前提下，設(shè)計(jì)和開發(fā)出真正自己需要的嵌入式系統(tǒng)，擯棄了許多商業(yè)軟件對用戶不透明，形同黑盒子的弊端。（3）完善的網(wǎng)絡(luò)支持功能可以說Linux是網(wǎng)絡(luò)的代名詞。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)。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。（4）極高的穩(wěn)定性Linux內(nèi)核非常的健壯，在PC硬件上運(yùn)行時(shí)非?？煽亢头€(wěn)定，特別是和現(xiàn)在流行的一些操作系統(tǒng)相比。移植到新微處理器ARM家族的Linux內(nèi)核運(yùn)行起來也非常穩(wěn)定。（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(yùn)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。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實(shí)現(xiàn)的，而使用Linux系統(tǒng)做原型的時(shí)候，可以饒過這個障礙，直接使用內(nèi)核調(diào)試器來做操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)試和查錯。（6）豐富的網(wǎng)絡(luò)資源Linux是一個自由開放的世界，在Linux（無論P(yáng)C 還是嵌入式系統(tǒng)）上進(jìn)行軟件開發(fā)都可以在廣袤的網(wǎng)絡(luò)資源中獲取幫助。 課題來源與主要研究內(nèi)容本課題來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動機(jī)器人動態(tài)特征與可重構(gòu)控制框架（60475031），和湖北省青年杰出人才基金項(xiàng)目：自治體系統(tǒng)的分布式智能傳感、控制與協(xié)作（2005ABB021）。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。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(jī)器人的可動態(tài)重構(gòu)框架，提出基于組件的開發(fā)模式。通過對系統(tǒng)資源的管理偵測、智能尋求資源匹配，建立通信機(jī)制，消解資源沖突，提高控制的魯棒性。本文主要研究如何將移動機(jī)器人與Internet結(jié)合，構(gòu)建一個易于移植、可擴(kuò)展、開放的、可重構(gòu)的系統(tǒng)控制框架。在該控制框架下，通過網(wǎng)絡(luò)建立一個遠(yuǎn)程機(jī)器人控制和在線監(jiān)控系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容如下： (1) 怎樣構(gòu)建一個基于嵌入式系統(tǒng)的、開放的、可擴(kuò)展的機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺；(2) 如何實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的運(yùn)動控制與傳感器信息的采集，以及底層硬件對上層控制器的封裝；(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)。 論文的主要結(jié)構(gòu)論文其余部分的結(jié)構(gòu)如下：第2章：介紹系統(tǒng)的框架和總體設(shè)計(jì)。主要包括系統(tǒng)的規(guī)劃、平臺的搭建、硬件的選型及設(shè)計(jì)等。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)。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。第4章：介紹機(jī)器人運(yùn)動控制和傳感信息的采集。主要包括機(jī)器人運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部傳感器信息的獲取、攝像頭圖像采集，以及同上位機(jī)的通訊接口設(shè)計(jì)等。第5章： 介紹嵌入式Web的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控和基于socket連接的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。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)頁的傳感信息與圖像信息的發(fā)布等。第6章：工作總結(jié)和展望。在這一章節(jié)中，對全文作了總結(jié)，并指出自己所作的工作和創(chuàng)新點(diǎn)，以及系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺設(shè)計(jì) 常見的機(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。C/S模式是松散耦合結(jié)構(gòu)。通過消息傳遞機(jī)制進(jìn)行對話，客戶向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理后將結(jié)果返回用戶。在C/S模式中，客戶端需要操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、客戶機(jī)軟件和應(yīng)用軟件等幾層軟件，而在服務(wù)器端只有單純的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。當(dāng)軟件版本升級時(shí)，所有客戶端軟件均需要更新。B/S模式簡化了客戶端軟件，只需要安裝上瀏覽器作為客戶端應(yīng)用的運(yùn)作平臺，而將所有的開發(fā)、維護(hù)和升級工作集中在服務(wù)器端。客戶端的工作是使用瀏覽器上網(wǎng)，向Web服務(wù)器發(fā)送請求，而由Web服務(wù)器處理請求，查詢數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行應(yīng)用程序，并將結(jié)果信息組織成超文本語言頁面發(fā)送給用戶，在用戶的瀏覽器上顯示。B/S模式可以做到與計(jì)算機(jī)軟硬件平臺的無關(guān)性和用戶界面的統(tǒng)一，另外升級、維護(hù)都集中在服務(wù)器端，這樣升級方便，成本低廉，確保了應(yīng)用程序開發(fā)的高品質(zhì)與低風(fēng)險(xiǎn)。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。（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PUMA562 機(jī)器人聯(lián)接到Internet 上，任何使用者都可以通過Web 瀏覽器進(jìn)行物體的抓取和搬運(yùn)。 Internet 服務(wù)器主要完成基于瀏覽器的交互式用戶界面和用戶數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，機(jī)器人服務(wù)器完成PUMA562 機(jī)器人的控制、CCD 攝像機(jī)的圖像采集與壓縮，Internet 服務(wù)器和機(jī)器人服務(wù)器之間通過LAN 使用TCP/ IP 協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)。Telerobot 的Internet 服務(wù)器由三部分組成：Web 服務(wù)程序、用戶數(shù)據(jù)庫和Winsock 通訊程序，是一臺擁有靜態(tài)IP 地址的服務(wù)器；它在Windows NT4. 0 下運(yùn)行Apache 3. 12 HTTP 服務(wù)程序。機(jī)器人服務(wù)器由三部分構(gòu)成：機(jī)器人控制、圖像采集/壓縮和WinSock通訊程序，是一臺運(yùn)行Windows98 的工業(yè)計(jì)算機(jī)，其上安裝有機(jī)器人通訊控制卡、圖像采集卡和手爪控制器等硬件。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。網(wǎng)卡WinSock通訊程序Internet服務(wù)器Web服務(wù)程序用戶數(shù)據(jù)庫網(wǎng)卡圖像采集與處理機(jī)器人服務(wù)器WinSock通訊程序機(jī)器人控制攝像機(jī)1攝像機(jī)2攝像機(jī)3Puma562……客戶N客戶1LAN圖21 Telerobot的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（2） 多機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[33]系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S) 分布式多級架構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22：第一層是瀏覽器，用戶通過瀏覽器登錄系統(tǒng)、注冊、控制機(jī)器人、進(jìn)入論壇參與討論等；第二層是超文本傳輸協(xié)議服務(wù)器(HTTP) 服務(wù)器，負(fù)責(zé)接受瀏覽器發(fā)送的HTTP 請求( Get 或Post)，進(jìn)行事務(wù)處理(與機(jī)器人本地控制系統(tǒng)通信傳送命令、連接數(shù)據(jù)庫、維持用戶隊(duì)列并管理控制權(quán)限、連接圖像源以及利用端口映射工具將流媒體文件導(dǎo)入頁面內(nèi)嵌的播放器)，返回相應(yīng)的HTML 頁面給瀏覽器；第三層是數(shù)據(jù)源，包括數(shù)據(jù)庫、視頻服務(wù)器、攝像頭以及本地機(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。機(jī)器人服務(wù)器控制對象為多臺Activmedia Pioneer 2 型移動機(jī)器人，服務(wù)器與機(jī)器人間通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。視頻服務(wù)器采用Cambolt Pd312 型網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭采集機(jī)器人運(yùn)動的圖像信息。網(wǎng)絡(luò)攝像頭圖像服務(wù)器本地PCInternet遠(yuǎn)端用戶HTTP服務(wù)器無線通訊Pioneer 2移動機(jī)器人圖22 基于B/S模式的多機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如上文所述，現(xiàn)有移動機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用專門的工控PC機(jī)作為機(jī)器人的控制服務(wù)器，并與機(jī)器人本體分離。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(jī)器人的小型化、群體化的要求。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?。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(jìn)入實(shí)用階段。嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，使得我們可以將嵌入式系統(tǒng)引入到移動機(jī)器人中，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制?；诖朔N思想，本課題設(shè)計(jì)了一個基于嵌入式Linux的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)。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、機(jī)器人服務(wù)器、機(jī)器人運(yùn)動控制與傳感信息采集、客戶端。遠(yuǎn)程用戶可以利用機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器提供的控制接口，對機(jī)器人進(jìn)行編程控制；同時(shí)還可以網(wǎng)頁查看機(jī)器人上的Web服務(wù)器提供的機(jī)器人狀態(tài)信息、傳感數(shù)據(jù)和圖像信息等，監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動；另外，操作者還可以使用網(wǎng)頁上提供的機(jī)器人運(yùn)動控制功能，來調(diào)整機(jī)器人的位置，設(shè)置機(jī)器人的工作參數(shù)等。多個機(jī)器人間則也可通過網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信息共享。機(jī)器人運(yùn)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(yùn)動控制與內(nèi)部傳感單元調(diào)速電機(jī)內(nèi)部傳感器機(jī)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(jī)器人服務(wù)器客戶端無線路由器Web瀏覽器遠(yuǎn)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(diǎn)：1) 同時(shí)提供基于socket連接的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制服務(wù)和基于Web機(jī)器人遠(yuǎn)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(diǎn)，提高了系統(tǒng)控制的靈活性；2) 機(jī)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(shí)現(xiàn)，并集成在移動機(jī)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(jī)器人對環(huán)境的感知能力；5) 軟硬件接口和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展能力；各模塊間均通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口或USB接口進(jìn)行連接，當(dāng)需要擴(kuò)展外部設(shè)備時(shí)，可以使用串口擴(kuò)展卡或USB擴(kuò)展卡來實(shí)現(xiàn)；6) 具有良好的模塊化和組件特征，各功能單元可以獨(dú)立的、并行的工作。 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺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。在本系統(tǒng)中，機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺為機(jī)器人服務(wù)器提供運(yùn)行的軟硬件環(huán)境，硬件上主要由一塊基于ARM處理器的嵌入式控制板，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。嵌入式Linux系統(tǒng)支持各種標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，能為服務(wù)器提供完備的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的圖像信息采集。另外，機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺同機(jī)器人運(yùn)動控制與內(nèi)部傳感單元、無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入單元通過RS232接口連接。采用嵌入式設(shè)備來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺，大大降低了系統(tǒng)的總體成本，符合移動機(jī)器人的小型化、群體化的發(fā)展趨勢；另外，平臺與各個模塊間采用標(biāo)準(zhǔn)的連接方式，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。 機(jī)器人運(yùn)動控制與傳感信息采集機(jī)器人運(yùn)動控制與傳感信息采集主要完成對移動機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)的控制、圖像信息采集，以及內(nèi)部傳感器（指機(jī)器人自身攜帶的各式傳感器，如超聲波傳感器、電子羅盤和光敏傳感器等）信息的獲取。多數(shù)機(jī)器人的這幾個部分是作為3個獨(dú)立單元來實(shí)現(xiàn)，即一塊電機(jī)驅(qū)動板，一塊傳感器采集板和一臺PC作為圖像服務(wù)器。為適應(yīng)小型移動機(jī)器人的要求，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中，將內(nèi)部傳感器信息的采集和機(jī)器人運(yùn)動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(jī)器人控制的效率，以及靈活性。圖像采集則被集成在遠(yuǎn)程Web監(jiān)控服務(wù)中，采用網(wǎng)頁發(fā)布的方式來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的圖像觀察。另外，系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊與布置在環(huán)境中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)相連，極大拓展了機(jī)器人對環(huán)境的感知能力，并為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動機(jī)器人的協(xié)作性研究提供了可能。 機(jī)器人服務(wù)器機(jī)器人服務(wù)器能為遠(yuǎn)程用戶提供機(jī)器人的控制服務(wù)，一方面，它需要完成與遠(yuǎn)程用戶的交互、任務(wù)的調(diào)度等，即接受用戶的指令，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)行用戶的命令。機(jī)器人服務(wù)器構(gòu)建在機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺之上，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。機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器采用socket通訊的方式與用戶進(jìn)行交互，操作者需要根據(jù)該服務(wù)器的控制接口編寫控制程序，即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制；Web監(jiān)控服務(wù)器采用嵌入式Web技術(shù)，通過CGI程序完成與用戶的動態(tài)交互，操作者可以通過網(wǎng)頁來觀察機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、傳感信息，以及機(jī)器人自身配備的攝像頭所捕捉的環(huán)境圖像信息。同時(shí)提供這兩種服務(wù)，融合了C/S模式的高度靈活性和B/S模式的簡單、便捷性。用戶可以根據(jù)任務(wù)的需要，選擇最優(yōu)的控制方式。 客戶端客戶端，即用戶的操作平臺，可以由一臺聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)，或任何具備上網(wǎng)功能的PDA、智能手機(jī)等嵌入式終端來實(shí)現(xiàn)。用戶可以根據(jù)操作平臺的不同，選擇不同的控制方式，在PC機(jī)上可以采用網(wǎng)頁來控制；在智能手機(jī)上可以通過編寫控制程序來控制，等等。 系統(tǒng)