嵌入式系統(tǒng)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上嵌入式系統(tǒng)及其在機(jī)器人控制中的應(yīng)用2012-6-11（XXXX，XXXX，XXXX）摘要：介紹了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)概念及其特點(diǎn)，綜述了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等方面的相關(guān)應(yīng)用。在了解了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：嵌入式 機(jī)器人 遠(yuǎn)程控制 視頻監(jiān)控Embedded System and its Application in theSystem of Robot ControlXXXX （XXXX，XXXX，XXXX）Abstract: The related concepts

2、 and characteristics of the embedded system were introduced in this paper. The motion control system, remote control and video monitoring systems which used embedded system was also reviewed. By understanding the present situation of the application of embedded system used in robot control, the deve

3、lopment tendency of robot technology based on embedded system was put forward.Keywords: embedded system, robot, remote control, video monitoring systems引言以嵌入式計(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)測和機(jī)器人控制等領(lǐng)域1。嵌入

4、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)。簡單的說，

5、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)：(1) 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。(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，對(duì)軟件代碼

6、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

7、-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)

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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：(1) 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；(3) 遠(yuǎn)程控制必成為趨勢。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

13、下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測將會(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。參考文獻(xiàn)1 于忠得, 林敏, 申華. 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程M. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.2 蔡坤. 3P-6SS并聯(lián)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視的研究D. 北京: 北京郵電大學(xué), 2008.3 田景文, 伍延祿, 高美娟. 基于嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 機(jī)床與液壓, 2012, 4, 40(7): 74-77.4 Thomas Rath, Marco Kawollek. Robotic harvesting of Gerbera Jameson ii based on detection and three-dimensional modeling of cut flower pedicels J. Computers and Electronics in Agriculture, 2009, 66(1): 85 92.5 孫玉山, 王建國, 萬磊等.