嵌入式與機(jī)器人不得不說(shuō)的故事

1、嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制中的應(yīng)用1 嵌人式系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 嵌入系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)于應(yīng)用系 統(tǒng)對(duì)功能、 可靠性、 成本、 體積、 功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 它主要由嵌入微處理器、 外圍硬件設(shè)備、 嵌人式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)應(yīng)用軟件等部分組成。 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、 監(jiān)視和管理等功能，它通常嵌人在主要設(shè)備中運(yùn)行。一個(gè)最小的嵌人式系統(tǒng)的基本組成為 : 一個(gè)用作引導(dǎo)的可用設(shè)施 (工具 )； 一個(gè)具備內(nèi)存管理，進(jìn)程管理和定時(shí)器服務(wù)的LINUX微內(nèi)核； 一個(gè)初始進(jìn)程； 硬件的驅(qū)動(dòng)程序； 一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)程以提供必要的應(yīng)用功效。嵌入式系統(tǒng)與普通的 PC 系統(tǒng)相比

2、主要具有以下特點(diǎn)：(1) 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專(zhuān)用性強(qiáng)。嵌入式 CPU 工作在為特定用戶(hù)群設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)中，能夠把 PC 中許多板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型 化。(2) 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲(chǔ)芯片或單片機(jī)本身中，以提高實(shí)行速度與系統(tǒng)可靠性。硬軟件都必須高效設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要精簡(jiǎn)，對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高。操作系統(tǒng)一般和軟件集成在一起。(3) 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。2 嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用 不論是在工業(yè)控制中， 還是在商業(yè)領(lǐng)域里， 機(jī)器人技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。 從用于生 產(chǎn)加工的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人到豐富大眾生活的現(xiàn)代娛樂(lè)機(jī)器人，都與嵌入

3、式系統(tǒng)密不可分。 現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人，都采用單片機(jī)作為控制單元，以8位和 16 位最為常見(jiàn)，其處理速度較低，沒(méi)有操作系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)豐富的多任務(wù)功能，系統(tǒng)的潛力沒(méi)有得到充分的發(fā)掘和應(yīng)用。隨著嵌入式控制器越來(lái)越微型化、 功能化。 機(jī)器人技術(shù)獲得更大的發(fā)展機(jī)遇， 無(wú)論從控 制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是機(jī)器人的智能程度方面都得到了很大的提高。 以索尼的機(jī)器狗為代表的智 能機(jī)器寵物是最典型的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)， 除了能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能， 它還具有圖 像識(shí)別、 語(yǔ)音處理等高級(jí)人機(jī)交互功能， 它可以模仿動(dòng)物的表情和運(yùn)動(dòng)行為。 火星車(chē)也是個(gè)典型例子，這個(gè)價(jià)值10億美金的技術(shù)高度密集移動(dòng)機(jī)器人，采用的是VxWorks

4、操作系統(tǒng),它可以在不與地球聯(lián)系的情況下自主工作。下面從運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、視頻圖像采集系統(tǒng)三個(gè)方面分析嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用情況。2.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為機(jī)器人控制技術(shù)的核心內(nèi)容，更是受到越來(lái)越多的關(guān)注。控制系統(tǒng)性能直接關(guān)系到機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)性能。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要用來(lái)完成信息融合和決策規(guī)劃等任 務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定控制。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線(xiàn)接收?qǐng)鐾夥?wù)計(jì)算機(jī)的命令，并根據(jù)策略庫(kù)進(jìn)行決策，隨后通過(guò)串口發(fā)送具體的行為控制指令，將機(jī)器人要執(zhí)行的動(dòng)作按規(guī)定的協(xié)議格式傳送給驅(qū)動(dòng)器，控制機(jī)器人的行為，集中體現(xiàn)了機(jī)器人的智能程度。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制部分一般采用ARM系列來(lái)完成，下面以

5、 ARM7為例說(shuō)明一下嵌入式與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)系。圖2.1是ARM 7實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的框圖， ARM 7通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)定義好的串口相關(guān)通信協(xié)議對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及運(yùn)動(dòng)圈數(shù)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 串口數(shù)據(jù)的接收是通過(guò)中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一旦有數(shù)據(jù)到達(dá)，就產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)程序中，新發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)將被保存起來(lái)，并且設(shè)置標(biāo)志位為真，用以通知主任務(wù)有新的數(shù)據(jù)到達(dá)，可以調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。圖2.1 ARM 7實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制框圖2.2遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人是指將機(jī)器人與in ternet連接，使得人們可以在任何地方

6、通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。它以in ternet為構(gòu)架，不僅降低了遙操作系統(tǒng) 的成本，也使機(jī)器人為越來(lái)越多的人們所熟悉和共享。廣義上講，機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置。 而遠(yuǎn)程控制機(jī)器人則是接受遠(yuǎn)距離控 制指令的機(jī)器人。這些指令一般來(lái)自受過(guò)培訓(xùn)的操作人員，操作人員在遠(yuǎn)程環(huán)境中操作并通過(guò)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)反饋等方式測(cè)量控制結(jié)果。50年代人們開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程操作機(jī)械手并將其用Los Alamos的輻射區(qū)，從此便誕生了遙操作(teleoperation)。遙操作主要用于危險(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，目前又?jǐn)U展到勘探、導(dǎo)彈部署和醫(yī)

7、療等應(yīng)用領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域， NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)是最大的研究組織之一1997年，NASA的火星旅居者(MarsSojourner)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人就已成功地應(yīng)用于火星計(jì)劃。機(jī)器人遠(yuǎn)程控制在空間探索、深海 勘探和危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有不可替代的作用?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及以及傳輸速度的不斷提高為機(jī)器人遠(yuǎn)程控制提供了廉價(jià)而便捷的通訊手段?；谇度胧綄?shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍，在遠(yuǎn)程醫(yī)療、設(shè)備共享和遠(yuǎn)程教學(xué)等方面顯示了其優(yōu)越性。任何能連接上互聯(lián)網(wǎng)的地方的用戶(hù)，在遠(yuǎn)程用戶(hù)端輸入機(jī)器人控制命令后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到嵌入式系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，并且可以將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡做相應(yīng)的反解，

8、從而得到各個(gè)控制關(guān)節(jié)，即相應(yīng)的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到近端控制中心ARM 9控制板上，通過(guò)它轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)時(shí)控制板ARM7，ARM7就控制伺服驅(qū)動(dòng)器讓電機(jī)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。下圖2.2是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的框架圖：圖2.2遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架圖遠(yuǎn)程用戶(hù)端一個(gè)重要的功能是能實(shí)時(shí)地觀(guān)看到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，所以一個(gè)視頻客戶(hù)端是必須的?；诜?wù)器/客戶(hù)端的模型，在ARM9控制板上運(yùn)行著視頻服務(wù)器，該視頻服務(wù)器與帶USB接口的攝像頭相連，攝像頭實(shí)時(shí)地采集并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將采集到 的圖像編碼，ARM 9控制板將經(jīng)過(guò)編碼壓縮后圖像數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程客戶(hù)端，遠(yuǎn) 程客戶(hù)端在

9、接收到圖像數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)解碼、顯示從而形成視頻圖像，用戶(hù)也就可以觀(guān)測(cè)到機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。ARM 9 控制板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它扮演著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，控制中心的角色。一方 面它將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼后， 通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶(hù)端； 另一方面它將 它還需要負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程用戶(hù)端傳送過(guò)來(lái)的控制命令解析并轉(zhuǎn)發(fā)給 ARM 7 控制板并接收反饋信 息。2.3 視頻圖像采集系統(tǒng)圖像處理技術(shù)又稱(chēng)“機(jī)器視覺(jué)” ，乃是將被測(cè)對(duì)象的圖像作為信息的載體，從中提取有 用的信息來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的，具有非接觸、高速、獲得信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)器人系統(tǒng)一般通 過(guò)攝像頭采集對(duì)象的圖像信息，然后通過(guò)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行數(shù)字

10、化的處理和分 析，根據(jù)檢測(cè)要求可得到對(duì)象的特征信息， 隨后進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行判斷并輸出結(jié)果， 使機(jī)器人 做出正確的判斷。以象棋機(jī)器人為例說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用。 象棋機(jī)器人作為娛樂(lè)機(jī) 器人的一種， 凝聚了圖像識(shí)別與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、 人工智能、 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制等技術(shù)， 使人們?cè)诤退鼘?duì)弈中得以?shī)蕵?lè)消遣。 象棋機(jī)器人要對(duì)棋盤(pán)變化進(jìn)行判斷， 然后做出相應(yīng)的 “對(duì) 策”，這個(gè)過(guò)程要用到復(fù)雜的圖像處理算法、棋步產(chǎn)生算法和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。對(duì)于這些復(fù)雜的算法一般的微處理器是沒(méi)法完成的， 高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和32位的ARM處理器 能夠解決這一問(wèn)題。象棋機(jī)器人首先需要利用 CCD 攝像

11、頭獲得棋盤(pán)及棋盤(pán)上各個(gè)棋子位置的圖像信息，然 后對(duì)得到的圖像進(jìn)行處理得到各棋子的坐標(biāo)信息， 主處理器提取各棋子的坐標(biāo)信息調(diào)用棋步 產(chǎn)生程序產(chǎn)生合理的棋步 具體為所要移動(dòng)棋子的坐標(biāo)及該棋子移動(dòng)到的目的坐標(biāo)信息，下級(jí)從處理器得到這些棋子的坐標(biāo)信息調(diào)用控制算法對(duì)機(jī)器人手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制機(jī)械臂完成棋子的移動(dòng)動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程類(lèi)似生物神經(jīng)系統(tǒng)反射的產(chǎn) q|過(guò)程：感受器一傳入神經(jīng)一神 經(jīng)中樞一傳出神經(jīng)一效應(yīng)器。 依據(jù)模塊化思想， 整個(gè)系統(tǒng)可以分為三大功能模塊： 象棋機(jī)器 人 ARM 控制模塊、圖像處理模塊、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制模塊。其中 ARM 控制模塊相當(dāng)于人的 大腦，它作為神經(jīng)中樞負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體控制；圖像

12、處理模塊相當(dāng)于感受器，通過(guò)CCD獲得圖像信息并進(jìn)行處理，然后將處理的結(jié)果傳遞給 ARM 控制模塊；運(yùn)動(dòng)控制模塊相當(dāng)于 效應(yīng)器，接到 ARM 控制器的運(yùn)動(dòng)命令后，響應(yīng)命令控制機(jī)械作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。3 嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟， 支持網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式產(chǎn)品將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 這不 僅將成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)， 也將是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)， 基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)的研究有以下幾點(diǎn)趨勢(shì)：(1) 高集成度、低功耗、小型化。隨著嵌入式系統(tǒng)的微型化、智能化，機(jī)器人將朝著高 智能化、高集成度、小型化方向發(fā)展；(2) 提供方便、快捷的人機(jī)界面。嵌入式系統(tǒng)被廣泛使用，主要原因是它的多媒體人機(jī) 界面的方便、快捷，這將使機(jī)器人的操作更加方便快捷、人性化；(3) 遠(yuǎn)程