【文章內(nèi)容簡介】 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(biāo)準(zhǔn)化，增強系統(tǒng)的擴展能力；各模塊間均通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口或USB接口進行連接，當(dāng)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。 機器人控制系統(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步，嵌入式設(shè)備的計算能力和功能得到了極大的提升。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。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(luò)接入單元通過RS232接口連接。采用嵌入式設(shè)備來實現(xiàn)機器人控制系統(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，極大增強了系統(tǒng)的擴展能力。 機器人運動控制與傳感信息采集機器人運動控制與傳感信息采集主要完成對移動機器人驅(qū)動電機的控制、圖像信息采集，以及內(nèi)部傳感器（指機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。為適應(yīng)小型移動機器人的要求，系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中，將內(nèi)部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，這樣不斷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效率，以及靈活性。圖像采集則被集成在遠程Web監(jiān)控服務(wù)中，采用網(wǎng)頁發(fā)布的方式來實現(xiàn)對機器人運行環(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)與移動機器人的協(xié)作性研究提供了可能。 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。機器人服務(wù)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(luò)控制服務(wù)器和Web監(jiān)控服務(wù)器。機器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器采用socket通訊的方式與用戶進行交互，操作者需要根據(jù)該服務(wù)器的控制接口編寫控制程序，即可實現(xiàn)對機器人的控制；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)頁來觀察機器人的運行狀態(tài)、傳感信息，以及機器人自身配備的攝像頭所捕捉的環(huán)境圖像信息。同時提供這兩種服務(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，或任何具備上網(wǎng)功能的PDA、智能手機等嵌入式終端來實現(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機上可以采用網(wǎng)頁來控制；在智能手機上可以通過編寫控制程序來控制，等等。 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計系統(tǒng)硬件平臺主要由五部分組成，即主控制模塊、USB無線網(wǎng)卡、USB攝像頭、運動控制與內(nèi)部傳感單元和無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊，系統(tǒng)硬件框圖如圖24所示。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。USBUSBFLASHSDRAMS3C2410微處理器主控制板無線傳感網(wǎng)絡(luò)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。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32 位微處理器，主頻最高可達203MHz。ARM920T處理器核實現(xiàn)了內(nèi)存管理功能（MMU），AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB 的指令Cache 和16KB數(shù)據(jù)Cache。S3C2410處理器集成的外圍器件主要有外部存儲控制器(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USB主機端口和1個USB設(shè)備端口() 、117個通用I/O口和24通道外部中斷源、觸摸屏接口等。由于S3C2410微處理器提供了一系列完整的外圍設(shè)備，可以大大減少為系統(tǒng)配置的額外器件，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本平臺還為其配置了兩片16M 16 位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM 構(gòu)成，拼成32位模式，共用nGCS6，共64M RAM，起始地址為0x30000000；一片8M 16 位數(shù)據(jù)寬度的INTEL E28F128 FLASH，安裝在BANK0，起始地址為0x00；通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴展了一個網(wǎng)口；一個方便調(diào)試的JTAG 接口；一個LCD接口和一個觸摸屏接口。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。主控制板硬件框圖如圖25所示。其中，串口0作為Linux系統(tǒng)的控制臺；串口1用于連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊；串口2用于連接底層機器人運動控制與內(nèi)部傳感單元；USB HOST1用于連接USB無線網(wǎng)卡；USB HOST2用于連接USB攝像頭；以太網(wǎng)口和JTAG口可以方便對系統(tǒng)進行調(diào)試和升級。USB HOST1USB HOST2JTAG以太網(wǎng)口電 源串口2串口1串口0FLASHSDRAMS3C2410主控制芯片圖25 主控制板硬件框圖 運動控制與內(nèi)部傳感單元系統(tǒng)將機器人的運動控制與一內(nèi)部傳感器信息采集集成在一塊控制板中。該控制板采用一片8位PIC18F8520單片機作為微控制器（MCU）。PIC系列單片機是由Microchip公司開發(fā)的微控制器，其突出的特點是低功耗，非常適用于各種低功率要求的應(yīng)用。它有多個系列和型號，分別由一些基本的功能模塊按照不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。由于其較高的性價比，在智能儀表，醫(yī)療設(shè)備，保安系統(tǒng)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。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）。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。該控制板在硬件設(shè)計上采用雙層布線，提供了8個通道的調(diào)速電機接口，6個通道的模擬傳感器接口（可接光敏傳感器、尋跡傳感器等），兩個通道的數(shù)字接口（可接碰撞開關(guān)），以及5個通道的捕獲接口（可接電子羅盤、超聲波傳感器等），其硬件框圖如圖26所示。運動控制與內(nèi)部傳感單元與主控制板通過串口連接，并使用自定義的一套命令接口進行通訊，實現(xiàn)底層硬件操作的封裝。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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能對環(huán)境進行大范圍的、連續(xù)的監(jiān)測，可以彌補機器人感知能力的不足。系統(tǒng)在主控制板的串口1處外接一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊，實現(xiàn)機器人與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接。該模塊采用的是Crossbow公司的MicaZ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，集成了Zigbee協(xié)議，從而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動機器人的協(xié)作性研究提供了可能。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。 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。最后，根據(jù)該架構(gòu)，設(shè)計了基于ARM處理器的機器人控制系統(tǒng)硬件平臺，并給出了主要組成單元的硬件設(shè)計框圖。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章 機器人控制系統(tǒng)平臺構(gòu)建隨著嵌入式處理器不斷發(fā)展，以及嵌入式軟件的不斷進步，嵌入式設(shè)備的計算能力和功能得到了極大的提升。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。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。采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)軟件平臺，大大降低了系統(tǒng)的總體成本，符合移動機器人的小型化、群體化的發(fā)展趨勢。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。 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。這種方式通常不適合于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，因為對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，沒有足夠的資源在本機（即開發(fā)板上的系統(tǒng)）運行開發(fā)工具和調(diào)試工具。通常的嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用一種交叉編譯調(diào)試的方式。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(biāo)板。 開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成能在目標(biāo)板上執(zhí)行的二進制代碼，然后把可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)機上運行[37]。調(diào)試時的方法很多，可以使用串口，以太網(wǎng)口等，具體使用哪種調(diào)試方法可以根據(jù)目標(biāo)板處理器所提供的支持作出選擇。宿主機和目標(biāo)板的處理器一般都不相同，宿主機為Intel 或AMD處理器， 而目標(biāo)板處理器為S3C2410，GNU 編譯器提供這樣的功能，在編譯編譯器時可以選擇開發(fā)所需的宿主機和目標(biāo)機從而建立開發(fā)環(huán)境。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。，GNU交叉編譯器選擇的是armv4lunknownlinuxgcc。宿主機和目標(biāo)板通過以太網(wǎng)連接（如圖31所示）。 宿主機目標(biāo)板網(wǎng)線串口線HUB網(wǎng)線圖31 宿主機和目標(biāo)板連接示意圖另外，還需在宿主機上配置NFS服務(wù)TFTP服務(wù)：(1) NFS服務(wù)的配置： 首先必須關(guān)閉Linux系統(tǒng)的防火墻，然后在REDHAT LINUX PC機上shell提示符[root@….]中執(zhí)行setup，彈出菜單界面后, 選中System services，回車進入系統(tǒng)服務(wù)選項菜單，在其中選中 [*]nfs ，然后退出setup界面返回到命令提示符下，執(zhí)行vim /etc/exports ，將這個默認的空文件修改為只有如下一行內(nèi)容： / (rw) //即根目錄可讀寫，/和(rw)之間要留空格 然后保存退出（:wq），再執(zhí)行/etc/。(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）。 最后，退出setup，執(zhí)行如下命令以啟動TFTP服務(wù)： service xinetd restart 在具體的開發(fā)過程中，宿主PC 機上運行mini 作為目標(biāo)板的顯示終端，在目標(biāo)板上通過NFS (網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)) 來mount宿主機硬盤，讓應(yīng)用程序直接運行在目標(biāo)板上進行調(diào)試。圖32給出了這種開發(fā)模式下的開發(fā)流程：