嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用

（文章來源：華清遠(yuǎn)見）

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(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。火星車也是一個(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 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、視頻監(jiān)控系統(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。

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。

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)。

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。基于服務(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。

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。

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。