淺談嵌入式技術(shù)在機(jī)器人控制系統(tǒng)的作用

　　以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是繼IT 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向，它以其強(qiáng)大而靈活的可應(yīng)用性得到了計(jì)算機(jī)、通信和信息等產(chǎn)業(yè)的廣泛認(rèn)可，已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和機(jī)器人控制等領(lǐng)域［1］。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展將真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的“無處不在”。

　　機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展從來就是與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起的，機(jī)器人技術(shù)的研究就是嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，而嵌入式技術(shù)的發(fā)展必定促進(jìn)機(jī)器人智能化水平。70年代中期以后，由于智能控制理論的發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，機(jī)器人逐漸成為研究的熱點(diǎn)，并且獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制系統(tǒng)被廣泛采用。

　　1 嵌入式系統(tǒng)

　　1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義及其特點(diǎn)

　　嵌入式系統(tǒng)從應(yīng)用角度出發(fā)，它是20世紀(jì)70年代以后計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)分支，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說，嵌入式系統(tǒng)是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［1］。

　　嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式軟件操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)

　　用程序4大部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他外部設(shè)備控制以及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換等功能。針對(duì)于某種特定的應(yīng)用需求，嵌入式系統(tǒng)嵌入到對(duì)象軟硬件體系中。

　　嵌入式系統(tǒng)與普通的PC 系統(tǒng)相比主要具有以下特點(diǎn)：

　?。?） 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專用性強(qiáng)。嵌入式CPU 工作在為特定用戶群設(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。

　?。?） 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。

　?。?） 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境。

　　2 嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用

　　嵌入式控制器越來越微型化、功能化。微型機(jī)器人、特種機(jī)器人等也獲得更大的發(fā)展機(jī)遇，無論從控制系統(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?；鹦擒囈彩且粋€(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 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)［1-4］、遠(yuǎn)程控制［2-5］、視頻監(jiān)控系統(tǒng)［5-7］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)

　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制部分一般采用ARM 7來完成，主要是由于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，利用ARM 7來專門控制伺服能更好的滿足要求。

　　圖2.1 ARM 7實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制框圖 圖2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架圖

　　圖2.1是ARM 7實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的框圖，ARM 7通過串口接收數(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)的接收是通過中斷的方式來實(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)送過來的數(shù)據(jù)將被保存起來，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)程序來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

　　2.2 遠(yuǎn)程控制

　　圖2.2是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的框架圖，任何能連接上互聯(lián)網(wǎng)的地方的用戶，在遠(yuǎn)程用戶端，OPENGL 仿真將預(yù)演用戶所輸入的機(jī)器人控制命令后機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡做相應(yīng)的反解，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)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到近端控制中心ARM 9控制板上，通過它轉(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。

　　遠(yuǎn)程用戶端一個(gè)重要的功能是能實(shí)時(shí)地觀看到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，所以一個(gè)視頻客戶端是必須的?；诜?wù)器／客戶端的模型，在ARM 9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)過編碼壓縮后圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程客戶端，遠(yuǎn)程客戶端在接收到圖像數(shù)據(jù)后經(jīng)過解碼、顯示從而形成視頻圖像，用戶也就可以觀測(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)過編碼后，通過以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶端；另一方面它將它還需要負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程用戶端傳送過來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。

　　圖2.3 遠(yuǎn)程機(jī)器指令流程

　　圖2.3顯示了遠(yuǎn)程指令的數(shù)據(jù)流向以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給遠(yuǎn)端用戶的數(shù)據(jù)流向。 遠(yuǎn)端用戶通過人機(jī)交互界面將所要求機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)位置的指令輸入到遠(yuǎn)端PC 中，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)ARM 9控制中心，ARM 9控制中心這里扮演著近段調(diào)試模式中那個(gè)近端PC 的角色，在接收到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，控制其串口將串口數(shù)據(jù)包發(fā)送到ARM 7控制板上，ARM 7控制板接收到數(shù)據(jù)后解析數(shù)據(jù)并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人地控制。

　　由于控制命令對(duì)準(zhǔn)確性的要求以及現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)路情況，目前多數(shù)采用TCP 協(xié)議來傳送控制命令。

　　2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　圖2.4顯示了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，帶USB 接口的攝像頭連接到ARM 9（uclinux 操作系統(tǒng)）的嵌入式開發(fā)板上，開發(fā)板的以太網(wǎng)控制器連接到路由器上，路由器接入Interact ，監(jiān)視平臺(tái)是遠(yuǎn)端一臺(tái)連入Internet 的PC 機(jī)。

　　圖2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　圖像數(shù)據(jù)由攝像頭采集，ARM 9通過USB 接口讀取其緩存中的數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。然后基于socket 編程來傳送這些數(shù)據(jù)，將ARM 9作為server 端，一旦有client 端（監(jiān)視平臺(tái)） 與之連接，它將把壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)送過去。監(jiān)視平臺(tái)接收到數(shù)據(jù)后解碼，然后顯示在終端上。控制單位時(shí)間內(nèi)圖像幀顯示次數(shù)就能形成流暢的動(dòng)畫效果。

　　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)的未來的研究有以下幾點(diǎn)趨勢(shì)：

　?。?） 高集成度、低功耗、小型化。隨著嵌入是系統(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；

　?。?） 遠(yuǎn)程控制必成為趨勢(shì)。

　　4總結(jié)

　　嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中起到了極為重要的作用，特別是在運(yùn)動(dòng)控制視頻圖像采集、傳送和顯示與監(jiān)測(cè)方面起到了很重要的作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、正確性得到保證的關(guān)鍵。在嵌入式技術(shù)的支持以及多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，并且隨著嵌入式系統(tǒng)以及多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)將會(huì)有著更廣闊的發(fā)展空間。