【正文】 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)設備配置、控制功能；完成4種類型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。?） USB驅動（USBD）：是整個USB主機驅動的核心，其主要實現(xiàn)的功能有：USB總線管理、USB總線設備、USB總線帶寬管理、USB的4種類型數(shù)據(jù)傳輸、USB HUB驅動、為USB設備類驅動提供相關接口、提供應用程序訪問的USB系統(tǒng)的文件接口等。（3） USB設備類驅動：是最終與應用程序交互的軟件模塊，其主要實現(xiàn)的功能有：訪問特定的USB設備、為應用程序提供訪問接口等。應用程序首先通過文件系統(tǒng)（POSIX）接口來訪問相應的USB設備類驅動程序和USBD；USB設備類驅動程序則通過USBD提供的相關接口將數(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。Linux定義了通用的數(shù)據(jù)結構URB用來在USB設備類驅動和USBD，USBD和HCD間進行數(shù)據(jù)傳輸。統(tǒng)一的URB（Universal Request Block）結構為usb主機驅動程序的開發(fā)帶來了很大方便。本系統(tǒng)使用了兩個USB設備，即USB無線網(wǎng)卡和USB攝像頭。在實現(xiàn)其驅動的過程中，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無線網(wǎng)卡驅動程序移植在Linux下驅動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下的驅動程序來驅動網(wǎng)卡。 2. linuxwlanng[45]linuxwlanng是專門為解決嵌入式Linux系統(tǒng)下無線網(wǎng)卡驅動的問題而成立的一個開源項目。目前，該項目對基于Intersil Prism Prism3 芯片的PCMCIA、PCI和 USB無線網(wǎng)卡的支持比較好。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。具體的步驟如下：(1) 執(zhí)行make config，選擇for usb，指定Linux的源代碼所在路徑（在編譯過程中會用到內核的一些文件），指定交叉編譯器路徑； (2) 執(zhí)行make進行編譯。在編譯的過程中，會有錯誤出現(xiàn)，部分錯誤和使用的編譯器有關，也有些錯誤是代碼編寫者的筆誤造成，根據(jù)編譯器的提示，進行簡單的修改可以將錯誤消除；(3) 編譯通過后還需將驅動加載到內核中，并進行一些簡單的配置，才能讓無線網(wǎng)卡真正在Linux系統(tǒng)下運行起來。1) 。2) 在主控制板的控制臺中執(zhí)行“insmod /application/”和“insmod /application/”來動態(tài)加載驅動程序模塊。3) 執(zhí)行“wlanctlng wlan0 lnxreq_ifstate ifstate=enable”。4)執(zhí)行“wlanctlng wlan0 lnxreq_autojoin ssid=sensorrobot authtype=opensystem” 。其中“ssid=sensorrobot”是無線路由器的ID，“authtype=opensystem”表示沒有安全密碼設置。5) 執(zhí)行“ifconfig wlan0 ”。設置無線網(wǎng)卡的IP地址。至此，無線網(wǎng)卡就可以工作了。本系統(tǒng)將無線網(wǎng)卡的這些配置操作添加到/usr/etc/（Linux系統(tǒng)的啟動腳本）中，這樣就可以實現(xiàn)開機自動加載驅動。圖35是系統(tǒng)啟動后，無線網(wǎng)卡開始工作的畫面。圖35 無線網(wǎng)卡啟動信息 USB攝像頭驅動程序移植USB攝像頭以其良好的性能和低廉的價格得到廣泛應用。同時因其靈活、方便的特性，易于被集成到嵌入式系統(tǒng)中。攝像頭屬于視頻類設備。在目前的Linux核心中，視頻部分的標準是Video for Linux(簡稱V4L)。這個標準定義了一套接口，內核、驅動、應用程序以這個接口為標準進行交流。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內容，USB攝像頭也屬于它支持的范疇。Linux本身集成了基于ov511芯片的攝像頭驅動。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的zc301芯片的攝像頭。這些驅動有專門針對嵌入式系統(tǒng)進行優(yōu)化的版本，另外，還提供了與驅動程序相配合的視頻流服務/播放器。本系統(tǒng)使用的即是基于中星微Zc301P芯片的普通USB攝像頭。具體的移植過程如下：1) 打補丁。，執(zhí)行“patch p1 ”。此時會有錯誤出現(xiàn)。這些被拒絕的修改會自動記載到相應的“.rej”文件中。，進行相應的修改即可。2) 重新配置和編譯內核。進入內核源代碼樹的根目錄，執(zhí)行“make menuconfig”，首先*選擇Multimedia device下的Video for linux，然后在usb support目錄下*選擇support for usb，M選擇SPCA5XX這一項，保存退出；再執(zhí)行“make dep；make zImage；make modules” ，就會在/driver/usb/,。3) ,。此時，在主控制板的USB HOST2口插入攝像頭，在主控制板的控制臺執(zhí)行“insmod /application/”，即可以看到攝像頭被成功驅動的信息，如圖36所示。圖36 攝像頭驅動加載信息 本章小結本章著重介紹了在構建機器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)平臺的過程中，在軟件方面的幾點工作，包括引導裝載程序uboot的移植、Linux內核的移植、USB無線網(wǎng)卡驅動的移植和USB攝像頭驅動的移植。文中詳細說明了在移植過程中筆者遇到的問題及相應的解決方法。70第4章 機器人運動控制和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各個電機的控制及配備的各式傳感器信息的獲取，如攝像頭、超聲波傳感器、電子羅盤和光敏傳感器等。目前，大多數(shù)機器人的這兩個部分是作為兩個獨立單元來實現(xiàn)的，即一塊運動驅動板控制電機，一塊傳感器采集板完成信號的采集。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。另外，本系統(tǒng)還通過一個支持Zigbee協(xié)議[47]的無線通訊模塊接入到布置在環(huán)境中的無線傳感網(wǎng)絡中，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)絡與移動機器人的協(xié)作性研究提供了可能。 機器人運動控制與內部傳感器信息采集 與上位機命令接口的定義與實現(xiàn)機器人運動控制與內部傳感器信息采集單元與上位機（主控制板）間，采用串口進行通訊。為實現(xiàn)這些底層操作對上層的封裝，系統(tǒng)為其定義了一套命令接口?？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）左轉指定角度0x04無轉動角度值右轉指定角度0x05無轉動角度值后退0x06速度值持續(xù)時間（為0則一直后退）轉動到指定方位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。當上位機有數(shù)據(jù)到達時，首先判斷其是高級控制命令，還是狀態(tài)信息查詢、停止運行或繼續(xù)運行，若是狀態(tài)信息查詢，則直接將保存在緩沖區(qū)中機器人狀態(tài)信息發(fā)送回上位機；若是停止運行命令，則需要停止定時器3的運行，并將其中斷關掉，這樣電機的控制信號就能停止輸出，從而使電機停止轉動；若是繼續(xù)運行命令，則只需重新啟動定時器3，并將其中斷使能；若是高級控制命令，則需將接收模式標志置1，準備接收二級命令，當三個字節(jié)接收完畢后，要將接收模式標志置0，然后根據(jù)二級命令的數(shù)值調用相應的處理函數(shù)，當處理函數(shù)執(zhí)行完畢時，需向上位機返回一個命令執(zhí)行完畢標志。 機器人運動控制的實現(xiàn)本系統(tǒng)選用的調速電機采用以20ms為周期的方波來驅動。轉速的大小則由每個周期中高電平持續(xù)時間的長短決定：當高電平持續(xù)時間為1ms時，電機順時針轉動最快；當高電平持續(xù)時間為2ms時，電機逆時針轉動最快；，電機停止轉動。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。這一部分主要由電機控制函數(shù)motor(channel ,speed)和定時器3的中斷處理函數(shù)來完成。當上位機發(fā)出啟動電機、前進或轉向等命令時，就會調用電機控制函數(shù)。在該函數(shù)中，要根據(jù)傳入的參數(shù)來修改速度緩存區(qū)中對應通道的速度值，若是第一次調用該函數(shù)，還需初始化定時器3，如設置定時器工作模式，中斷使能等。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。圖41是該部分控制的程序流程圖。speedbufpoint++結 束初 始 化設置通道和轉速度motorflag= =1?否是定時器參數(shù)設置結 束中斷標志位清零speedbufpoint9=1?定時器中斷處理程序輸出第1段波形否準備下一周期輸出第1段波形是speedbufpoint= =8=1?是否定本周期剩余時間輸出對應段的波形圖41 電機控制流程圖 內部傳感器信息采集這里所講的內部傳感器是相對攝像頭和無線傳感網(wǎng)絡而言，專指前文所述的與機器人運動控制部分集成在一起的那些傳感器的信息采集，如電子羅盤、光敏傳感器、超聲波傳感器、碰撞開關等，共有13個傳感器接口。電子羅盤能提供機器人的方位信息，其輸出的數(shù)據(jù)格式為一組連續(xù)的方波信號，因此采用捕獲方式來采集該數(shù)據(jù)；超聲波傳感器可以用來檢測機器人周圍是否有障礙物及障礙物的距離，其輸出的數(shù)據(jù)格式也是一組連續(xù)的方波信號，因此也采用捕獲方式來采集該數(shù)據(jù)；光敏傳感器能測量環(huán)境中光的強度，其輸出是模擬信號，因此采用A/D轉換來采集該傳感器的信息；碰撞開關能檢測機器人是否碰到了物體，其輸出格式為二進制值，即在39。039。和39。139。中變化，因此采用數(shù)字接口來檢測該傳感器的值。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)來進行調度。其中mand_h代表傳感器的類型；mand_l代表該傳感器所在的傳感器通道號。該函數(shù)根據(jù)傳感器的類型來調用不同的傳感信息采集函數(shù)，并將采集的數(shù)據(jù)保存到機器人的狀態(tài)信息緩沖區(qū)的相應位置。 行為控制行為控制以機器人的運動控制和傳感器信息采集為基礎，能完成某個具體的動作。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，如右轉指定角度、避障和尋光等。以下是右轉指定角度的代碼片斷：void mand_right(unsigned int turnangle){ int destangle,currentangle。if(turnangle0) { sensor(6,13)。 // 13通道接的是電子羅盤currentangle=sensor_buf[13]。 destangle=currentangle+turnangle。 while(1) { sensor(6,13)。 currentangle =sensor_buf[13]。 if((destangle359)amp。amp。(currentangle=(destangle360))) currentangle =currentangle +360。 if(currentangle (destangle2)) { if(currentangle (destangle20)) //高速右轉 { motor(2,170)。 motor(4,170)。 } else