【正文】 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（簡稱RTOS）能夠支持多任務(wù)，使得程序開發(fā)更加容易，便于維護(hù)，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)典型產(chǎn)品如下：1. VxWorks[29]VxWorks是美國Wind River System公司（即風(fēng)河公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks功能非常強(qiáng)大，包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分。2. LynxOSLynxOS與Unix兼容，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，是專為要求快速響應(yīng)、復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)的。LynxOS支持多進(jìn)程和多線程，可擴(kuò)展性強(qiáng)。因此，大部分Windows上開發(fā)的程序都能在WinCE上運(yùn)行。4. PalmOSPalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額。目前有3500多個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行在PalmOS上，其中大部分應(yīng)用程序?yàn)槠渌鼜S商和個(gè)人的開發(fā)，這使得PalmOS的功能得以不斷增多。它是發(fā)展未來嵌入式設(shè)備的絕佳資源，具有廣泛的應(yīng)用前景。 嵌入式Linux系統(tǒng)的優(yōu)勢Linux為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極有吸引力的選擇，它是個(gè)和Unix相似、以內(nèi)核為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。其軟件源碼全部公開，任何人可以修改并在GNU 通用公共許可證（GNU General Public License）下發(fā)行。Linux 還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種可選擇窗口管理器（X windows）。 歸納起來，嵌入式Linux相對(duì)于另外幾種嵌入式操作系統(tǒng)，具有以下幾點(diǎn)獨(dú)特的優(yōu)勢：（1）使用成本低所有的商業(yè)操作系統(tǒng)都需要為每一個(gè)拷貝支付相當(dāng)數(shù)量的費(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。（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(duì)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(duì)用戶不透明，形同黑盒子的弊端。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)。（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)非常可靠和穩(wěn)定，特別是和現(xiàn)在流行的一些操作系統(tǒng)相比。（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。（6）豐富的網(wǎng)絡(luò)資源Linux是一個(gè)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。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。通過對(duì)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。在該控制框架下，通過網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)器人控制和在線監(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)。第 3 章：介紹嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建及外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。第4章：介紹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和傳感信息的采集。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)。第6章：工作總結(jié)和展望。第2章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)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。通過消息傳遞機(jī)制進(jìn)行對(duì)話，客戶向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理后將結(jié)果返回用戶。當(dāng)軟件版本升級(jí)時(shí)，所有客戶端軟件均需要更新?？蛻舳说墓ぷ魇鞘褂脼g覽器上網(wǎng)，向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，而由Web服務(wù)器處理請(qǐng)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。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。 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)。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(tái)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。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(jí)架構(gòu)。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(duì)J ava 服務(wù)器頁面(JSP) 和Servlet的支持。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(dòng)的圖像信息。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(dòng)機(jī)器人的小型化、群體化的要求。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?；诖朔N思想，本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Linux的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。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(duì)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(dòng)；另外，操作者還可以使用網(wǎng)頁上提供的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人對(duì)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。在本系統(tǒng)中，機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)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(dòng)組成。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)的無線接入，滿足其移動(dòng)性的要求；通過USB攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的圖像信息采集。采用嵌入式設(shè)備來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)，大大降低了系統(tǒng)的總體成本，符合移動(dòng)機(jī)器人的小型化、群體化的發(fā)展趨勢；另外，平臺(tái)與各個(gè)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。多數(shù)機(jī)器人的這幾個(gè)部分是作為3個(gè)獨(dú)立單元來實(shí)現(xiàn)，即一塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，一塊傳感器采集板和一臺(tái)PC作為圖像服務(wù)器。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(duì)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的圖像觀察。 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(dòng)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(duì)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(dòng)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。用戶可以根據(jù)任務(wù)的需要，選擇最優(yōu)的控制方式。用戶可以根據(jù)操作平臺(tái)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。主控制板基于S3C2410微處理器，運(yùn)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(jī)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(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元完成機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)器人。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(dá)203MHz。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB 的指令Cache 和16KB數(shù)據(jù)Cache。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(gè)系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本。為滿足前述機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，主控制板引出了兩個(gè)USB HOST接口和3個(gè)UART接口。其中，串口0作為Linux系統(tǒng)的控制臺(tái)；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(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和升級(jí)。該控制板采用一片8位PIC18F8520單片機(jī)作為微控制器（MCU）。它有多個(gè)系列和型號(hào)，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。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(chǔ)空間（EEPROM），32K的程序存儲(chǔ)空間（FLASH）；通用輸入輸出引腳（I/O）68個(gè)；有中斷優(yōu)先級(jí)（兩級(jí)）；4個(gè)外部中斷輸入引腳；有5個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；5個(gè)捕捉/ 比較/PWM（CCP）模塊；16路模/數(shù)轉(zhuǎn)換（10位）接口；兩個(gè)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）。該控制板在硬件設(shè)計(jì)上采用雙層布線，提供了8個(gè)通道的調(diào)速電機(jī)接口，6個(gè)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(gè)通道的數(shù)字接口（可接碰撞開關(guān)），以及5個(gè)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。馬達(dá)輸出口14PIC18F8520馬達(dá)輸出口58計(jì) 數(shù) 口 模擬輸入口數(shù)字輸入口串口 主控制板圖26 運(yùn)動(dòng)控制與內(nèi)部傳感單元硬件框圖 其它為滿足移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)化的要求，機(jī)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(gè)USB無線網(wǎng)卡，配合無線路由器，實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)功能。系統(tǒng)在主控制板的串口1處外接一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接。另外，系統(tǒng)在主控制板的USB HOST2外接了一個(gè)USB攝像頭來實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集。最后，根據(jù)該架構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于ARM處理器的機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并給出了主要組成單元的硬件設(shè)計(jì)框圖。在本系統(tǒng)中，機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)為機(jī)器人服務(wù)器提供運(yùn)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(dòng)組成。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)的無線接入，滿足其移動(dòng)性的要求；通過USB攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的圖像信息采集。主控制板、無線網(wǎng)卡和攝像頭的硬件選型與設(shè)計(jì)在前文已有描述，本章將重點(diǎn)講述構(gòu)建該平臺(tái)時(shí)在軟件方面的幾點(diǎn)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(dòng)。這種方式通常不適合于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，因?yàn)閷?duì)于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，沒有足夠的資源在本機(jī)（即開發(fā)板上的系統(tǒng)）運(yùn)行開發(fā)工具和調(diào)試工具。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機(jī)（即一臺(tái)PC 機(jī)）上，對(duì)應(yīng)的開發(fā)板叫做目標(biāo)板。調(diào)試時(shí)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。在本系統(tǒng)開發(fā)的過程中，采用的是宿主機(jī)交叉編譯調(diào)試的開發(fā)方式。宿主機(jī)和目標(biāo)板通過以太網(wǎng)連接（如圖31所示）。(2) TFTP服務(wù)的配置： 在PC機(jī)上執(zhí)行setup，選擇System services，將其中的tftp一項(xiàng)選中（出現(xiàn) [*]表示選中），并去掉ipchains和iptables兩項(xiàng)服務(wù)（即去掉它們前面的*號(hào)）。圖32給出了這種開發(fā)模式下的開發(fā)流程： 圖32 開發(fā)流程REDHAT在加入網(wǎng)關(guān)設(shè)置后，網(wǎng)絡(luò)建立TCP鏈接非常慢，會(huì)導(dǎo)致在開發(fā)板上通過NFS服務(wù)掛載PC機(jī)時(shí)，需要等待較長的時(shí)間。 系統(tǒng)引導(dǎo)裝載程序Bootloader開發(fā)Bootloader[38] [39] ，也稱作引導(dǎo)裝載程序，是芯片復(fù)位后進(jìn)入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的