淺談嵌入式技術在機器人控制系統(tǒng)的作用

　　以嵌入式計算機為核心的嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是繼IT 網(wǎng)絡技術之后，又一個新的技術發(fā)展方向，它以其強大而靈活的可應用性得到了計算機、通信和信息等產(chǎn)業(yè)的廣泛認可，已被廣泛應用在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡及電子商務、環(huán)境監(jiān)測和機器人控制等領域［1］。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展將真正實現(xiàn)計算機的“無處不在”。

　　機器人技術的發(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，機器人技術的研究就是嵌入式技術的應用，而嵌入式技術的發(fā)展必定促進機器人智能化水平。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)，機器人逐漸成為研究的熱點，并且獲得了長足的發(fā)展。目前，嵌入式系統(tǒng)在機器人控制系統(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

　　嵌入式系統(tǒng)從應用角度出發(fā)，它是20世紀70年代以后計算機發(fā)展的一個分支，以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。簡單的說，嵌入式系統(tǒng)是嵌入到目標體系中的專用計算機系統(tǒng)［1］。

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

　　用程序4大部分組成，用于實現(xiàn)對其他外部設備控制以及網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換等功能。針對于某種特定的應用需求，嵌入式系統(tǒng)嵌入到對象軟硬件體系中。

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

　?。?） 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專用性強。嵌入式CPU 工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中，能夠把PC 中許多板卡完成的任務集成到芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設計的小型化。

　?。?） 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲芯片或單片機本身中，以提高實行速度與系統(tǒng)可靠性。硬軟件都必須高效設計，系統(tǒng)要精簡，對軟件代碼質(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)在機器人中的應用

　　嵌入式控制器越來越微型化、功能化。微型機器人、特種機器人等也獲得更大的發(fā)展機遇，無論從控制系統(tǒng)的結(jié)構還是機器人的智能程度方面都得到了很大的提高。以索尼的機器狗為代表的智能機器寵物是最典型的嵌入式機器人控制系統(tǒng)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的運動功能，它還具有圖像識別、語音處理等高級人機交互功能，它可以模仿動物的表情和運動行為?；鹦擒囈彩且粋€典型例子，這個價值10億美金的技術高度密集移動機器人，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。下面從運動控制系統(tǒng)［1-4］、遠程控制［2-5］、視頻監(jiān)控系統(tǒng)［5-7］三個方面分析嵌入式系統(tǒng)在機器人中的應用情況。

　　2.1 運動控制系統(tǒng)

　　機器人的運動控制部分一般采用ARM 7來完成，主要是由于整個系統(tǒng)對實時性要求較高，利用ARM 7來專門控制伺服能更好的滿足要求。

　　圖2.1 ARM 7實現(xiàn)電機控制框圖 圖2.2 遠程控制系統(tǒng)框架圖

　　圖2.1是ARM 7實現(xiàn)電機控制的框圖，ARM 7通過串口接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)定義好的串口相關通信協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進行解析，得到各個電機的轉(zhuǎn)向以及運動圈數(shù)，從而控制電機的轉(zhuǎn)動，串口數(shù)據(jù)的接收是通過中斷的方式來實現(xiàn)的。一旦有數(shù)據(jù)到達，就產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務程序中，新發(fā)送過來的數(shù)據(jù)將被保存起來，并且設置標志位為真，用以通知主任

　　務有新的數(shù)據(jù)到達，可以調(diào)用電機驅(qū)動程序來實現(xiàn)電機的運動。

　　2.2 遠程控制

　　圖2.2是遠程控制系統(tǒng)的框架圖，任何能連接上互聯(lián)網(wǎng)的地方的用戶，在遠程用戶端，OPENGL 仿真將預演用戶所輸入的機器人控制命令后機器人的運動軌跡，并且將機器人的運動軌跡做相應的反解，從而得到各個控制關節(jié)，即相應的電機的運動數(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)給實時控制板ARM7，ARM7就控制伺服驅(qū)動器讓電機按預定的軌跡運動，從而實現(xiàn)機器人的遠程控制。

　　遠程用戶端一個重要的功能是能實時地觀看到機器人的運動姿態(tài)，所以一個視頻客戶端是必須的。基于服務器／客戶端的模型，在ARM 9控制板上運行著視頻服務器，該視頻服務器與帶USB 接口的攝像頭相連，攝像頭實時地采集并聯(lián)機器人的運動狀態(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)傳送到遠程客戶端，遠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，用戶也就可以觀測到機器人的運動狀態(tài)。

　　ARM 9控制板是整個系統(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)送到遠程用戶端；另一方面它將它還需要負責將遠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 遠程機器指令流程

　　圖2.3顯示了遠程指令的數(shù)據(jù)流向以及機器人的運動狀態(tài)反饋給遠端用戶的數(shù)據(jù)流向。 遠端用戶通過人機交互界面將所要求機器人運動姿態(tài)位置的指令輸入到遠端PC 中，經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭_ARM 9控制中心，ARM 9控制中心這里扮演著近段調(diào)試模式中那個近端PC 的角色，在接收到遠端數(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)動電機的伺服驅(qū)動器，從而實現(xiàn)對機器人地控制。

　　由于控制命令對準確性的要求以及現(xiàn)實的網(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)視平臺是遠端一臺連入Internet 的PC 機。

　　圖2.4 系統(tǒng)結(jié)構圖

　　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)，并對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮編碼。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） 與之連接，它將把壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)送過去。監(jiān)視平臺接收到數(shù)據(jù)后解碼，然后顯示在終端上。控制單位時間內(nèi)圖像幀顯示次數(shù)就能形成流暢的動畫效果。

　　3 嵌入式系統(tǒng)在機器人應用中的發(fā)展趨勢

　　隨著網(wǎng)絡技術的日益成熟，支持網(wǎng)絡功能的嵌入式產(chǎn)品將得到越來越廣泛的應用，這不僅將成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點，也將是機器人技術的一個研究熱點，基于嵌入式系統(tǒng)的機器人技術的未來的研究有以下幾點趨勢：

　?。?） 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，機器人將朝著高智能化、高集成度、小型化方向發(fā)展；

　?。?） 提供方便、快捷的人機界面。嵌入式系統(tǒng)被廣泛使用，主要原因是它的多媒體人機界面的方便、快捷，這將使機器人的操作更加方便快捷、人性化；

　?。?） 遠程控制必成為趨勢。

　　4總結(jié)

　　嵌入式系統(tǒng)在機器人控制系統(tǒng)中起到了極為重要的作用，特別是在運動控制視頻圖像采集、傳送和顯示與監(jiān)測方面起到了很重要的作用，是整個控制系統(tǒng)的實時性、正確性得到保證的關鍵。在嵌入式技術的支持以及多媒體網(wǎng)絡技術的支持下，對機器人進行遠程控制與監(jiān)測將會成為現(xiàn)實，并且隨著嵌入式系統(tǒng)以及多媒體網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展，機器人技術將會有著更廣闊的發(fā)展空間。