1、嵌入式系统在机器人控制中的应用1 嵌人式系统的简介嵌入系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入微处理器、外围硬件设备、嵌人式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌人在主要设备中运行。一个最小的嵌人式系统的基本组成为:一个用作引导的可用设施(工具) ；一个具备内存管理，进程管理和定时器服务的 LINUX 微内核；一个初始进程；硬件的驱动程序；一个或几个应用进程以提供必要的应用功效。嵌入式系统与普通的 PC 系统相比主要具有以下特点：(1) 嵌入式
2、系统功耗低，体积小，专用性强。嵌入式 CPU 工作在为特定用户群设计的系统中，能够把 PC 中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，有利于嵌入式系统设计的小型化。(2) 嵌入式系统中的软件一般固化在存储芯片或单片机本身中，以提高实行速度与系统可靠性。硬软件都必须高效设计，系统要精简，对软件代码质量要求很高。操作系统一般和软件集成在一起。(3) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。2 嵌入式系统在机器人中的应用不论是在工业控制中，还是在商业领域里，机器人技术都得到了广泛的应用。从用于生产加工的传统工业机器人到丰富大众生活的现代娱乐机器人，都与嵌入式系统密不可分。现有的大多数机器人，都采用单片
3、机作为控制单元，以 8 位和 16 位最为常见，其处理速度较低，没有操作系统，无法实现丰富的多任务功能，系统的潜力没有得到充分的发掘和应用。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化。机器人技术获得更大的发展机遇，无论从控制系统的结构还是机器人的智能程度方面都得到了很大的提高。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物是最典型的嵌入式机器人控制系统，除了能够实现复杂的运动功能，它还具有图像识别、语音处理等高级人机交互功能，它可以模仿动物的表情和运动行为。火星车也是一个典型例子，这个价值 10 亿美金的技术高度密集移动机器人，采用的是VxWorks 操作系统，它可以在不与地球联系的情况下自主工作。下面从运动控
4、制系统、远程控制、视频图像采集系统三个方面分析嵌入式系统在机器人中的应用情况。2.1 运动控制系统运动控制系统作为机器人控制技术的核心内容，更是受到越来越多的关注。控制系统性能直接关系到机器人的整体运动性能。运动控制系统主要用来完成信息融合和决策规划等任务实现机器人稳定控制。同时，运动控制系统通过 CAN 总线接收场外服务计算机的命令，并根据策略库进行决策，随后通过串口发送具体的行为控制指令，将机器人要执行的动作按规定的协议格式传送给驱动器，控制机器人的行为，集中体现了机器人的智能程度。机器人的运动控制部分一般采用 ARM 系列来完成，下面以 ARM7 为例说明一下嵌入式与机器人的运动控制的关
5、系。图 2.1 是 ARM 7 实现电机控制的框图，ARM 7 通过串口接收数据，并根据定义好的串口相关通信协议对接收到的数据进行解析，得到各个电机的转向以及运动圈数，从而控制电机的转动，串口数据的接收是通过中断的方式来实现的。一旦有数据到达，就产生一次中断，在中断服务程序中，新发送过来的数据将被保存起来，并且设置标志位为真，用以通知主任务有新的数据到达，可以调用电机驱动程序来实现电机的运动。从而达到对机器人的运动进行控制。 设 置 串 口接 收 到 数 据对 串 口数 据 解 析调 用 电 机驱 动 程 序运 动 完 成YESNOYES图 2.1 ARM 7 实现电机控制框图2.2 远程控制
6、系统远程控制机器人是指将机器人与 internet 连接，使得人们可以在任何地方通过浏览器访问机器人，实现对机器人的远程监视和控制。它以 internet 为构架，不仅降低了遥操作系统的成本，也使机器人为越来越多的人们所熟悉和共享。广义上讲，机器人是由计算机控制的自动化装置。而远程控制机器人则是接受远距离控制指令的机器人。这些指令一般来自受过培训的操作人员，操作人员在远程环境中操作并通过位置传感器、力传感器、视觉反馈等方式测量控制结果。50 年代人们开发了远程操作机械手并将其用 Los Alamos 的辐射区，从此便诞生了遥操作( teleoperation)。遥操作主要用于危险环境或人们不易
7、到达的地区，如辐射区、地下采矿、水下运载和航空航天，目前又扩展到勘探、导弹部署和医疗等应用领域。在这一领域，NASA(美国国家航空航天局) 是最大的研究组织之一 1997 年，NASA 的火星旅居者(Mars Sojourner)远程控制机器人就已成功地应用于火星计划。机器人远程控制在空间探索、深海勘探和危险环境作业等领域具有不可替代的作用。科学技术的飞速发展和普及以及传输速度的不断提高为机器人远程控制提供了廉价而便捷的通讯手段。基于嵌入式实现机器人的远程控制进一步拓展了其应用范围，在远程医疗、设备共享和远程教学等方面显示了其优越性。任何能连接上互联网的地方的用户，在远程用户端输入机器人控制命
8、令后通过互联网传送到嵌入式系统对机器人进行控制，并且可以将机器人的运动轨迹做相应的反解，从而得到各个控制关节，即相应的电机的运动数据，这些数据通过互联网传送到近端控制中心ARM 9 控制板上，通过它转发给实时控制板 ARM7，ARM7 就控制伺服驱动器让电机按预定的轨迹运动，从而实现机器人的远程控制。下图 2.2 是远程控制系统的框架图：远 程用 户 互联网 ARM 7控 制 板ARM 9控 制 板 伺 服摄 像 头 机器人图 2.2 远程控制系统框架图远程用户端一个重要的功能是能实时地观看到机器人的运动姿态，所以一个视频客户端是必须的。基于服务器客户端的模型，在 ARM 9 控制板上运行着视
9、频服务器，该视频服务器与带 USB 接口的摄像头相连，摄像头实时地采集并联机器人的运动状态，并将采集到的图像编码，ARM 9 控制板将经过编码压缩后图像数据通过以太网传送到远程客户端，远程客户端在接收到图像数据后经过解码、显示从而形成视频图像，用户也就可以观测到机器人的运动状态。ARM 9 控制板是整个系统的核心，它扮演着系统的数据中心，控制中心的角色。一方面它将摄像头采集到的视频数据经过编码后，通过以太网发送到远程用户端；另一方面它将它还需要负责将远程用户端传送过来的控制命令解析并转发给 ARM 7 控制板并接收反馈信息。2.3 视频图像采集系统图像处理技术又称“机器视觉” ，乃是将被测对象
10、的图像作为信息的载体，从中提取有用的信息来达到测量的目的，具有非接触、高速、获得信息丰富等优点。机器人系统一般通过摄像头采集对象的图像信息，然后通过处理系统对采集到的图像进行数字化的处理和分析，根据检测要求可得到对象的特征信息，随后进一步对此进行判断并输出结果，使机器人做出正确的判断。以象棋机器人为例说明嵌入式系统在视频监控系统方面的应用。象棋机器人作为娱乐机器人的一种，凝聚了图像识别与计算机视觉、人工智能、现代计算机技术和智能控制等技术，使人们在和它对弈中得以娱乐消遣。象棋机器人要对棋盘变化进行判断，然后做出相应的“对策” ，这个过程要用到复杂的图像处理算法、棋步产生算法和运动规划算法。对于
11、这些复杂的算法一般的微处理器是没法完成的，高性能数字信号处理器(DSP)和 32 位的ARM 处理器能够解决这一问题。象棋机器人首先需要利用 CCD 摄像头获得棋盘及棋盘上各个棋子位置的图像信息，然后对得到的图像进行处理得到各棋子的坐标信息，主处理器提取各棋子的坐标信息调用棋步产生程序产生合理的棋步具体为所要移动棋子的坐标及该棋子移动到的目的坐标信息，下级从处理器得到这些棋子的坐标信息调用控制算法对机器人手臂进行运动规划控制机械臂完成棋子的移动动作。整个过程类似生物神经系统反射的产 q|过程：感受器一传入神经一神经中枢一传出神经一效应器。依据模块化思想，整个系统可以分为三大功能模块：象棋机器人
12、 ARM 控制模块、图像处理模块、机械臂运动控制模块。其中 ARM 控制模块相当于人的大脑，它作为神经中枢负责对系统进行总体控制；图像处理模块相当于感受器，通过 CCD 获得图像信息并进行处理，然后将处理的结果传递给 ARM 控制模块；运动控制模块相当于效应器，接到 ARM 控制器的运动命令后，响应命令控制机械作相应的运动。3 嵌入式系统在机器人应用中的发展趋势随着网络技术的日益成熟，支持网络功能的嵌入式产品将得到越来越广泛的应用，这不仅将成为嵌入式系统发展的一个热点，也将是机器人技术的一个研究热点，基于嵌入式系统的机器人技术的未来的研究有以下几点趋势：(1) 高集成度、低功耗、小型化。随着嵌入式系统的微型化、智能化，机器人将朝着高智能化、高集成度、小型化方向发展；(2) 提供方便、快捷的人机界面。嵌入式系统被广泛使用，主要原因是它的多媒体人机界面的方便、快捷，这将使机器人的操作更加方便快捷、人性化；(3) 远程控制必成为趋势。4 总结嵌入式系统在机器人控制系统中起到了极为重要的作用，特别是在运动控制、视频图像采集、传送和显示与监测方面起到了很重要的作用；是整个控制系统的实时性、正确性得到保证的关键。在嵌入式技术的支持以及多媒体网络技术的支持下，对机器人进行远程控制与监测将会成为现实，并且随着嵌入式系统以及多媒体网络技术的进一步发展，机器人技术将会有着更广阔的发展空间。
