【正文】 泛應(yīng)用。Xavier系統(tǒng)重視提高系統(tǒng)的自主性，對(duì)于在線互動(dòng)，自主性非常重要，自主性降低了低寬帶和不可靠的通信影響。Xavier從1995年開始上線接受網(wǎng)絡(luò)用戶的測評(píng)，用戶通過機(jī)器人上的視頻和傳感器監(jiān)視環(huán)境和機(jī)器人本身的情況，發(fā)送指令，Xavier接受指令后可以在樓內(nèi)各層房間進(jìn)行簡單的文件傳送，敲門，說話等活動(dòng)。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，來監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行[10]。 圖13 Telegarden Project 圖14 TelerobotAustralia’s Telerobot[9]見圖14，是一個(gè)帶有攝象機(jī)的具有六個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制它來擺設(shè)基于X、Y、Z坐標(biāo)系的一些積木塊，用戶每控制一次，就得到一幅靜態(tài)的圖像，通過不斷更新的圖像來進(jìn)行操作，由澳大利亞大學(xué)研制?！癕ercury project”[7]是第一個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)用戶遠(yuǎn)程觀察和控制機(jī)器人的系統(tǒng)，1994年9月正式運(yùn)行，它將一臺(tái)相機(jī)安裝到工業(yè)機(jī)械手臂上，用戶可以遠(yuǎn)程控制它挖掘沙土中的文物，并觀察工作情況，如圖12。它觀察咖啡壺的狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)相機(jī)監(jiān)視咖啡壺的工作，并通過文本的界面和一個(gè)接口程序連接到咖啡壺上，控制壺的各種設(shè)置。目前這方面的研究國內(nèi)外也正如火如荼的進(jìn)行中。Internet的高速發(fā)展和普及，相關(guān)Web技術(shù)的不斷升級(jí)進(jìn)步，使得基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制成為可能。遠(yuǎn)程機(jī)器人操作在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用前景，可以完成探雷、處理爆破和偵查。在空間領(lǐng)域，美國的NASA的火星探測器（如圖11）成功登陸火星進(jìn)行了相關(guān)研究，德國的ROTEX艙內(nèi)空間機(jī)器人系統(tǒng)在航天飛機(jī)的密封艙內(nèi)進(jìn)行了多種操作實(shí)驗(yàn)。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。國內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚，但經(jīng)過多年努力，也取得了一定成績。II，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的核電站機(jī)器人等。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，人們研究方向逐漸轉(zhuǎn)向到面向?qū)嶋H應(yīng)用的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人上[5]，并逐步形成了自主式移動(dòng)機(jī)器人AMR（Autonomous Mobile Robot）概念。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。在危險(xiǎn)環(huán)境或人們不易到達(dá)的地區(qū)，如輻射區(qū)、地下采礦、水下運(yùn)載和航空航天等，操作人員不可能出現(xiàn)在工作現(xiàn)場，遠(yuǎn)程控制技術(shù)的出現(xiàn)可以很好的解決這一難題。近年來對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究中，自主移動(dòng)機(jī)器人的研究受到很多的關(guān)注，作為智能機(jī)器人的一種，自主機(jī)器人能夠按照預(yù)先給定的任務(wù)指令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過程中，不斷感知周圍環(huán)境信息，引導(dǎo)機(jī)器人自身繞開障礙物，安全行駛到達(dá)指定目標(biāo)，并執(zhí)行要求的動(dòng)作和操作[2][3]。正是基于上述技術(shù)的飛速發(fā)展，使得我們可以將嵌入式Linux引入到移動(dòng)機(jī)器人中，并開發(fā)出良好的人機(jī)交互環(huán)境，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。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(jìn)入實(shí)用階段，如 RTLinux、uCLinux 等。因此，在此之前出現(xiàn)了若干種間接實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)接入 Internet 的方案，如Webit 技術(shù)、EMIT 技術(shù)（采用 PC 作為嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)關(guān)，稱為 emGateway，再由 emGateway 通過 RS23CAN 或射頻等總線與嵌入式系統(tǒng)連接）等。Internet 現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統(tǒng)能夠與 Internet 連接，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。隨著國內(nèi)外嵌入式產(chǎn)品如車載電腦、機(jī)頂盒等等的進(jìn)一步開發(fā)和推廣，嵌入式技術(shù)越來越和人們的生活緊密結(jié)合。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。面對(duì)日益復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，比如星際考察，水下作業(yè)等情況，必須要使控制者遠(yuǎn)離作業(yè)地點(diǎn)完成需要完成的工作。小型移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄第1章 緒論 1 研究背景 1 國內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究現(xiàn)狀 2 移動(dòng)機(jī)器人的研究 2 機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究 3 嵌入式技術(shù)的發(fā)展 6 幾種典型的嵌入式操作系統(tǒng) 7 嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢 8 課題來源與主要研究內(nèi)容 9 論文的主要結(jié)構(gòu) 10第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 11 常見的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu) 11 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 13 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái) 15 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與傳感信息采集 15 機(jī)器人服務(wù)器 16 客戶端 16 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 16 主控制板 17 運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元 18 其它 19 本章小結(jié) 20第3章 機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建 21 嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)模式 21 系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader開發(fā) 23 uboot啟動(dòng)流程 24 uboot的移植 25 Linux內(nèi)核的引導(dǎo) 27 Linux內(nèi)核的移植 28 無線網(wǎng)卡與攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 30 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序移植 32 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序移植 33 本章小結(jié) 35第4章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和傳感信息采集 36 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感器信息采集 36 與上位機(jī)命令接口的定義與實(shí)現(xiàn) 36 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) 37 內(nèi)部傳感器信息采集 39 行為控制 39 基于Video4Linux的USB攝像頭圖像采集 41 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入 44 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)作 44 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息提取 44 本章小結(jié) 45第5章 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器和遠(yuǎn)程Web監(jiān)控 46 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器 46 Linux下的socket編程 46 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器的接口定義與實(shí)現(xiàn) 47 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制客戶端程序示例 49 機(jī)器人遠(yuǎn)程Web監(jiān)控 50 嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植 51 CGI控制程序設(shè)計(jì) 52 機(jī)器人狀態(tài)信息查詢 54 無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布 55 基于Web的圖像信息發(fā)布 56 基于Web的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制 57 典型示范應(yīng)用 58 本章小結(jié) 61第6章 總結(jié)和展望 62 工作總結(jié) 62 工作展望 63致 謝 64參考文獻(xiàn) 65攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研項(xiàng)目 6920第1章 緒論 研究背景互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展已經(jīng)使當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，也給新世紀(jì)的機(jī)器人研究和開發(fā)開辟了新方向?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制日益受到了人們的重視，這是因?yàn)樗梢允沟貌僮魅藛T遠(yuǎn)離具有危險(xiǎn)性的操作環(huán)境，避免人身傷害。網(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)問題[1]。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專用計(jì)算機(jī)工業(yè)，其目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用；通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展變?yōu)楣δ茈娔X，普遍進(jìn)入社會(huì)，嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)展的目標(biāo)是專用電腦，實(shí)現(xiàn)“普適化計(jì)算”，因此可以稱嵌入式智能系統(tǒng)是構(gòu)成未來世界的“數(shù)字基因”。目前嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)在家庭和工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以 MCU 為核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。其實(shí)將嵌入式系統(tǒng)與 Internet 結(jié)合起來的想法由來已久，但困難在于：Internet 的通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求較高，而嵌入式系統(tǒng)中大量存在的是 8 位和 16 位 MCU，根本無法提供足夠的資源支持 TCP/IP 等協(xié)議。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?。Linux 是一種免費(fèi)的，開放源代碼的操作系統(tǒng)，它可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)，微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持，而不必象其他操作系統(tǒng)要外掛 TCP/IP 協(xié)議包。 國內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究現(xiàn)狀機(jī)器人的出現(xiàn)幫助人類擺脫了繁重和危險(xiǎn)的體力勞動(dòng)，作為機(jī)器人科學(xué)的一個(gè)重要部分，移動(dòng)機(jī)器人一直是機(jī)器人科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，移動(dòng)機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定機(jī)器人無法到達(dá)的預(yù)定位置，完成設(shè)定的操作任務(wù)。然而現(xiàn)有技術(shù)條件下，機(jī)器人不可能自主完成所有的任務(wù)，因此需要與人類智能結(jié)合，通過人觀測工作現(xiàn)場信息，得出行動(dòng)策略，最后傳遞給機(jī)器人執(zhí)行。 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。該時(shí)期的移動(dòng)機(jī)器人的研究，研究人員主要是研究在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，移動(dòng)機(jī)器人所有應(yīng)用到的基本技術(shù)，包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息融合、路徑規(guī)劃等。這時(shí)期的研究成果有美國海軍研究的RobartIamp。一大批世界著名公司和大學(xué)也加入到移動(dòng)機(jī)器人研究工作中，開發(fā)的較著名的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有Martin公司的ALVin，F(xiàn)MC公司的ARV，RWI公司的microARTV，ActivMedia公司的pioneer2 DX[3]。目前以清華大學(xué)研制THMR[1]系列比較著名。 機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究1948年，美國阿爾貢實(shí)驗(yàn)所研制出一個(gè)應(yīng)用原子堆操作的反饋式遠(yuǎn)程操作機(jī)械手M1，這是遠(yuǎn)程機(jī)器人的雛形，人工智能等學(xué)科的興起，推動(dòng)了遠(yuǎn)程機(jī)器人科學(xué)的進(jìn)步。目前我國的機(jī)器人遠(yuǎn)程操作還主要停留在實(shí)驗(yàn)階段，相信隨著“神州”系列飛船的成功升天，和登月計(jì)劃的促進(jìn)，我國的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制也將獲得有力發(fā)展。最近的日益受到重視的反恐活動(dòng)中，就已經(jīng)開始系統(tǒng)的使用機(jī)器人遠(yuǎn)程操作技術(shù)協(xié)助完成反恐斗爭，而在人們?nèi)粘Ｉ钪?，這種技術(shù)也可以用在醫(yī)療、探測、建筑等領(lǐng)域，2002年的埃及金字塔探密活動(dòng)就使用了一個(gè)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，引起了廣泛興趣?；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)。“Cambridge coffeepot”[6]是第一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，1980年出現(xiàn)在INTERNET網(wǎng)上。由于互聯(lián)網(wǎng)的飛快進(jìn)步和“Cambridge coffeepot”項(xiàng)目的成功運(yùn)行，越來越多的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的站點(diǎn)建立了起來。 圖11 火星探測器 圖12 Mercury Project1995年，Ken GoldBerg開發(fā)的Telegarden Project[8]是第一代網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的代表，如圖13所示，一個(gè)通過Internet遠(yuǎn)程控制的工業(yè)機(jī)器人可以接受用戶指令實(shí)現(xiàn)在異地花園的灌溉和花草培育，用戶主要是通過安裝在機(jī)器人上的視頻設(shè)備反饋的圖像查看機(jī)器人工作情況，系統(tǒng)采用“FIFO”思想，對(duì)多個(gè)用戶排隊(duì)，由西澳大利亞大學(xué)研制。. 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。第二代網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的研究更傾向于對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究，Reid Simmons和他的團(tuán)隊(duì)在Carnegie Mellon University設(shè)計(jì)出了如圖16第一個(gè)具有智能功能的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)機(jī)器人 Xavier[11]。研究的重點(diǎn)是遠(yuǎn)程用戶和智能機(jī)器人的互動(dòng)協(xié)作。對(duì)于機(jī)器人的移動(dòng)，指令發(fā)布只需要告訴機(jī)器人目的地和方向等簡單參數(shù)信息，這些信息通過低寬帶是完全可以準(zhǔn)確傳輸?shù)?，而機(jī)器人的自主性能保證其正確處理任務(wù)執(zhí)行期間的各種異常情況，即使通信完全喪失，機(jī)器人仍能夠完成當(dāng)前的任務(wù)，沒有任何導(dǎo)航模塊會(huì)因?yàn)閱适ㄐ艡C(jī)制而受到影響，保證了機(jī)器人的安全性。目前該系統(tǒng)可以通過很低的預(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。 圖15 KhpOnWeb 圖16 Xavier另一個(gè)受到好評(píng)的是The Museum tourguide robot[12] [13] [14]。向?qū)C(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)帶領(lǐng)WEB用戶參觀兩個(gè)著名的博物館：位于波恩的Deutsches博物館以及華盛頓的Smithsonian國家歷史博物館。系統(tǒng)能夠獲取機(jī)器人相機(jī)的圖像也能夠通過各種代理機(jī)制在同一時(shí)刻服務(wù)多個(gè)用戶。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(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)開發(fā)的基于視覺臨場感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，既可通過人機(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)開發(fā)的空間機(jī)器人共享系統(tǒng)[23]；南開大學(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)的力覺臨場感遙操作系統(tǒng)[28]等。2005年，全球嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)值已達(dá)2500億美元，國內(nèi)嵌入式軟件的產(chǎn)值也達(dá)到800億人民幣。隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式產(chǎn)品更顯重要，像我們平常見到的手機(jī)、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3Top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。在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)中，采用