基于嵌入式Linux的微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李廣植，許林，張博

（南開(kāi)大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所，天津市智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071）

基于嵌入式Linux的微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李廣植，許林*，張博

（南開(kāi)大學(xué)機(jī)器人與信息自動(dòng)化研究所，天津市智能機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071）

摘 要:本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Linux的微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為主控制器模塊、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊、視覺(jué)模塊、無(wú)線(xiàn)通訊模塊和電源模塊。在S3C2440芯片上移植了Linux操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，配置了MJPG-streamer視頻服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制命令的傳輸和電機(jī)控制。用戶(hù)能夠在智能手機(jī)上查看目標(biāo)視頻，通過(guò)點(diǎn)擊視頻圖像中目標(biāo)點(diǎn)位置的方式對(duì)機(jī)器人發(fā)送控制命令。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)功能和運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行了測(cè)試。

關(guān)鍵詞:微小型偵察機(jī)器人；嵌入式Linux；無(wú)線(xiàn)通訊；電機(jī)控制

本文引用格式：李廣植，許林，張博.基于嵌入式Linux的微小型偵查機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化，2015，5(4)：11-17

0　引言

偵察機(jī)器人是指在危險(xiǎn)場(chǎng)合以及人員不易進(jìn)入的場(chǎng)合中，能夠代替人類(lèi)從事偵測(cè)、勘探、排險(xiǎn)等工作的移動(dòng)機(jī)器人。隨著機(jī)電、控制、傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)偵察機(jī)器人正朝著智能化、微小化發(fā)展，應(yīng)用范圍擴(kuò)大到環(huán)境探測(cè)、偵測(cè)、救援、輔助作戰(zhàn)等多個(gè)方面。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)分布式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在這方面進(jìn)行了大量研究，開(kāi)發(fā)了以eROSI[1]為代表的一系列微小型偵察機(jī)器人。美國(guó)Recon Robotics公司研發(fā)的可拋投軍用微小型偵察機(jī)器人是美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵的裝備之一。國(guó)內(nèi)的南京航空航天大學(xué)[2]、北京理工大學(xué)[3-4]和北京航空航天大學(xué)[5]等也在該領(lǐng)域做了深入研究。

微小型偵察機(jī)器人體積小、重量輕，其運(yùn)算能力和通信能力受到了限制，如何實(shí)現(xiàn)具有較好智能的微小型偵察機(jī)器人已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。目前的微小型偵察機(jī)器人為了滿(mǎn)足體積小、重量輕的特點(diǎn)，普遍采用單片機(jī)作為主控制芯片，存在處理數(shù)據(jù)有限、控制系統(tǒng)運(yùn)算速度低、人機(jī)交互方式單一等缺點(diǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種采用智能手機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，基于嵌入式Linux的微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)。

嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)的小型操作系統(tǒng)。嵌入式Linux具有可裁剪、多線(xiàn)程、多任務(wù)的系統(tǒng)特征。與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，嵌入式Linux具有源代碼開(kāi)放、易于移植、性能穩(wěn)定、支持多種嵌入式硬件、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更有利于偵察機(jī)器人的功能擴(kuò)展和任務(wù)級(jí)命令的實(shí)現(xiàn)。

本文的研究目的是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于嵌入式Linux的微小型偵察機(jī)器人。該機(jī)器人具有雙輪驅(qū)動(dòng)，圖像采集和無(wú)線(xiàn)遙控的能力，使用智能手機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，具有較好的可擴(kuò)展性。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

偵察機(jī)器人系統(tǒng)大體可以分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)為安卓智能手機(jī)，下位機(jī)為偵察機(jī)器人本體，兩者通過(guò)802.11g協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The system structure

本文將下位機(jī)設(shè)置為Wifi熱點(diǎn)，上位機(jī)通過(guò)搜索下位機(jī)的Wifi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，這種無(wú)線(xiàn)連接方式無(wú)需外部路由器，使偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、連接快速。

偵察機(jī)器人本體采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由主控制器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)的速度控制，通過(guò)霍爾傳感器計(jì)算位置和速度信息。

選用CMOS攝像頭作為獲取視頻數(shù)據(jù)的設(shè)備，在下位機(jī)中配置MJPG-streamer視頻服務(wù)器，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到下位機(jī)后通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的獲取，在上位機(jī)中顯示視頻數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)采用安卓智能手機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，控制方式為用戶(hù)點(diǎn)擊上位機(jī)中顯示的視頻圖像，上位機(jī)計(jì)算用戶(hù)點(diǎn)擊位置對(duì)應(yīng)的實(shí)際地面位置，將地面目標(biāo)點(diǎn)對(duì)偵察機(jī)器人的相對(duì)坐標(biāo)作為控制命令發(fā)送到下位機(jī)。

2　控制系統(tǒng)硬件

下位機(jī)微小型偵察機(jī)器人的硬件部分主要由主控制器模塊，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，視覺(jué)模塊，無(wú)線(xiàn)通訊模塊以及電源模塊五部分組成，如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of control system

2.1主控制器模塊

本文選用可移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)的S3C2440芯片作為主控制芯片，其采用ARM920T內(nèi)核，工作頻率400MHz，板載64MB SDRAM和256MB Nand Flash，具有豐富的硬件設(shè)備資源。

主控制器在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中處于核心地位，所有的模塊都由主控制器進(jìn)行控制。偵察機(jī)器人同時(shí)完成視頻數(shù)據(jù)、機(jī)器人狀態(tài)信息和控制命令的傳輸，主控制器需要有多任務(wù)的功能，兼顧運(yùn)算速度，網(wǎng)絡(luò)性能、體積和功耗等因素，選擇一種合適的主控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。

2.2運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊

選用Maxon公司生產(chǎn)的EC 20 flat 5 Watt直流無(wú)刷電機(jī)、Maxon29/1減速器和DEC Module 24/2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊，設(shè)計(jì)外圍電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)和主控制器的連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)I/O引腳、PWM引腳與主控制器進(jìn)行通信。I/O引腳對(duì)應(yīng)電機(jī)的數(shù)字模式選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及使能位，通過(guò)修改PWM占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

2.3視覺(jué)模塊

視覺(jué)模塊的功能是圖像信息的采集和攝像頭光軸傾角的測(cè)量。選用CMOS攝像頭作為圖像信息采集設(shè)備，通過(guò)USB接口與主控制器連接。選用MPU6050加速度計(jì)作為光軸傾角測(cè)量裝置，將加速度計(jì)與攝像頭平行放置，通過(guò)測(cè)量靜止時(shí)與攝像頭光軸方向的重力加速度分量計(jì)算出攝像頭的光軸傾角，主控制器通過(guò)I2C總線(xiàn)獲取MPU6050的加速度數(shù)據(jù)。

2.4無(wú)線(xiàn)通訊模塊

無(wú)線(xiàn)通訊模塊使用的是LB-LINK無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，采用802.11g通訊協(xié)議。802.11g協(xié)議工作在2.4GHz頻段，最高傳輸速率可達(dá)54Mbit/s。本文將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)置為Wifi熱點(diǎn)，這種無(wú)線(xiàn)連接方式無(wú)需外部路由器，使偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、連接快速。

2.5電源模塊

選用鋰電池為機(jī)器人供電，電壓12V，容量3000mAh，尺寸為9cm×4.3cm×1.7cm。選用LM2596穩(wěn)壓模塊為機(jī)器人系統(tǒng)提供9V、5V以及3.3V的電壓輸出。

3　控制系統(tǒng)軟件

本文通過(guò)交叉編譯的模式對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，選用的主機(jī)平臺(tái)為Red Hat 9.0虛擬機(jī)，交叉編譯器為arm-linux-gcc 4.1.2。

根據(jù)圖3中的嵌入式Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可以將軟件系統(tǒng)分為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)層，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)右约坝脩?hù)應(yīng)用層。根據(jù)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，在用戶(hù)應(yīng)用層又可以分為MJPG-streamer服務(wù)器程序，無(wú)線(xiàn)通訊程序，電機(jī)控制程序，傾角測(cè)量程序。

圖3　Linux系統(tǒng)層次關(guān)系Fig.3 The relationship of Linux system layers

3.1嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植

根據(jù)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程可以將嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植分為Bootloader移植，Linux內(nèi)核移植和文件系統(tǒng)移植。

Bootloader作為嵌入式操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，功能是初始化硬件設(shè)備，準(zhǔn)備軟件環(huán)境和調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。本文選用u-boot作為系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，實(shí)現(xiàn)Nand Flash啟動(dòng)，引導(dǎo)zImage鏡像文件，支持yaffs文件系統(tǒng)。

Linux內(nèi)核是嵌入式Linux操作系統(tǒng)的核心部分，支持多種CPU架構(gòu)。本文選用較為成熟的Linux2.6.31版本，在進(jìn)行移植時(shí)修改內(nèi)核文件使內(nèi)核符合S3C2440芯片的ARM920T系統(tǒng)架構(gòu)。

本文選用yaffs文件系統(tǒng)作為嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備，提供了損耗平衡和掉電保護(hù)，可以有效的避免意外掉電對(duì)文件系統(tǒng)一致性和完整性的影響。

3.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備都看作文件，以操作文件的方式訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備。由用戶(hù)編寫(xiě)的應(yīng)用程序不能直接操作硬件，而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序 。這組接口被稱(chēng)作系統(tǒng)調(diào)用，包括open、close、read、write等函數(shù)。Linux2.6.31版本內(nèi)核中含有V4L2攝像頭驅(qū)動(dòng)、8192無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)以及I2C總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，本文主要對(duì)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)可以分為接口函數(shù)和中斷函數(shù)兩部分。其中接口函數(shù)通過(guò)read、write等系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用程序接收電機(jī)參數(shù)和向應(yīng)用程序提供電機(jī)信息的功能。中斷函數(shù)包括一個(gè)1ms的內(nèi)部中斷和兩個(gè)外部中斷，內(nèi)部中斷通過(guò)修改PWM引腳的寄存器，實(shí)現(xiàn)每1ms進(jìn)行一次電機(jī)的控制，外部中斷負(fù)責(zé)記錄兩個(gè)電機(jī)返回的霍爾傳感器脈沖數(shù)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)流程為：

1）通過(guò)write函數(shù)接收電機(jī)參數(shù)，包括左右電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向；

2）根據(jù)電機(jī)參數(shù)在內(nèi)部中斷中修改PWM寄存器以及控制電機(jī)方向的I/O引腳寄存器；

3）根據(jù)外部中斷記錄的脈沖數(shù)每100次中斷計(jì)算一次電機(jī)轉(zhuǎn)速；

4）通過(guò)read函數(shù)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速和記錄的脈沖數(shù)提供給用戶(hù)應(yīng)用程序。

3.3應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

根據(jù)偵察機(jī)器人的功能可以將應(yīng)用程序分為MJPG-streamer服務(wù)器程序、無(wú)線(xiàn)通訊程序、電機(jī)控制程序、傾角測(cè)量程序根據(jù)程序中數(shù)據(jù)的共享情況將4個(gè)程序分成2個(gè)進(jìn)程。

MJPG-streamer服務(wù)器程序?yàn)橐曨l進(jìn)程，它是一個(gè)視頻服務(wù)器，需要很少的CPU和內(nèi)存資源就可以工作。本文在主機(jī)平臺(tái)上修改源碼，使用交叉編譯器編譯，獲得可執(zhí)行文件，配置偵察機(jī)器人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡IP，通過(guò)安卓智能手機(jī)上的偵察機(jī)器人客戶(hù)端獲得視頻圖像。

電機(jī)進(jìn)程采用多線(xiàn)程技術(shù)分別創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)通訊線(xiàn)程、電機(jī)控制線(xiàn)程和傾角測(cè)量線(xiàn)程，多線(xiàn)程并行處理。其程序流程如圖4。

圖4　應(yīng)用程序流程圖Fig.4 The flow chart of application program

無(wú)線(xiàn)通訊線(xiàn)程采用802.11g通訊協(xié)議將偵察機(jī)器人的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)置為熱點(diǎn)。8070端口作為控制命令的傳輸端口持續(xù)被監(jiān)聽(tīng)將監(jiān)聽(tīng)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。在完成接收數(shù)據(jù)的任務(wù)后，將偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和攝像頭傾角信息返回給上位機(jī)。

本文中偵察機(jī)器人選擇直線(xiàn)路徑作為起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的移動(dòng)路徑，如圖5所示，整個(gè)路徑分為三個(gè)階段：

圖5　偵察機(jī)器人移動(dòng)路徑Fig.5 The moving path of recon robot

1）原地旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)點(diǎn)方向；

2）直線(xiàn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)；

3）原地旋轉(zhuǎn)到初始方向。

電機(jī)控制線(xiàn)程首先對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字模式和使能進(jìn)行初始化設(shè)置，然后讀取無(wú)線(xiàn)通訊線(xiàn)程獲得的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。接收到目標(biāo)點(diǎn)后偵察機(jī)器人判斷當(dāng)前所處階段，通過(guò)write函數(shù)修改驅(qū)動(dòng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過(guò)read接口函數(shù)讀取的霍爾傳感器脈沖數(shù)來(lái)判斷階段是否完成，該階段完成后進(jìn)入下一階段，全部路徑完成后繼續(xù)讀取目標(biāo)點(diǎn)。

傾角測(cè)量線(xiàn)程通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)MPU6050的寄存器的采樣頻率、地址等寄存器進(jìn)行初始化操作。本文由MPU6050的X軸重力分量計(jì)算出攝像頭光軸與水平方向夾角。由于受到機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)加速度的影響，上位機(jī)在使用夾角數(shù)值時(shí)，只考慮靜止?fàn)顟B(tài)下的光軸傾角值。

在多個(gè)程序融合時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)的共享情況選擇多線(xiàn)程技術(shù)。將電機(jī)控制程序、傾角測(cè)量程序和無(wú)線(xiàn)通訊程序放在一個(gè)進(jìn)程下，可以有效的處理無(wú)線(xiàn)通訊程序調(diào)用數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題，使得程序的結(jié)構(gòu)清晰，且多線(xiàn)程并行處理，使CPU的使用效率提升，程序的運(yùn)行速度更快。

4　實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

本文對(duì)微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括上位機(jī)獲取機(jī)器人視頻信息和機(jī)器人狀態(tài)信息，上位機(jī)向機(jī)器人發(fā)送控制命令和偵察機(jī)器人的移動(dòng)精度。

客戶(hù)端通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)機(jī)器人端MJPG-streamer服務(wù)器獲取視頻數(shù)據(jù)和機(jī)器人本體狀態(tài)信息，將其顯示在手機(jī)屏幕，如圖6為客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)情況，偵察機(jī)器人系統(tǒng)可以有效的實(shí)現(xiàn)視頻圖像和機(jī)器人狀態(tài)信息的傳輸。

圖6　手機(jī)操作界面Fig.6 The operation interface of mobile phone

本文對(duì)偵察機(jī)器人的視頻數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，解碼時(shí)間為10~90ms，平均解碼時(shí)間為39.5ms，傳輸時(shí)間為70~460ms，平均傳輸時(shí)間為182.6ms，每幀圖像時(shí)間為120~500ms，平均每幀圖像時(shí)間為236ms，如圖7所示。

圖7　無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)間統(tǒng)計(jì)Fig.7 Time statistics of wireless transmission

用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊屏幕上的地面位置指定目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，上位機(jī)將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)作為控制命令發(fā)送到機(jī)器人端，偵察機(jī)器人執(zhí)行控制命令運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。命令執(zhí)行情況如圖8，偵察機(jī)器人可以有效的移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)附近，移動(dòng)的相對(duì)誤差小于2%。

圖8　目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際移動(dòng)坐標(biāo)對(duì)比Fig.8 Comparison between the targets coordinates and actual coordinates

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的微小型偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)，從用戶(hù)操作方式、硬件和軟件方面進(jìn)行了分析。本文提出的微小型偵察機(jī)器人系統(tǒng)具有體積小，重量輕，功能模塊化，接口豐富的特點(diǎn)?；谝曈X(jué)的用戶(hù)操作方式是任務(wù)級(jí)命令的實(shí)現(xiàn)，使得人機(jī)交互更簡(jiǎn)潔明了。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了偵察機(jī)器人的移動(dòng)精度，以及視頻數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸能力。在此基礎(chǔ)上，S3C2440芯片豐富的外設(shè)接口為偵察機(jī)器人提供了強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。

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Design of Control System based on Embedded Linux for Micro Recon Robots

LI Guangzhi, XU Lin*, ZHANG Bo
(Institute of Robotics and Automatic Information System, Nankai University, Tianjin Key Laboratory of Intelligent Robotics, Tianjin 300071, China)

Abstract:This paper designs a control system based on embedded Linux for micro recon robots.In the system, the user sends control commands to the recon robots by clicking the screen of a smart phone.The robot system comprises the main controller module, the motion execution module, the vision module, the wireless communication module and the power supply module.Linux operating system is ported to S3C2440 processor to implement user application, motor driver development, MJPG-streamer video server configuration and wireless communication.The system functions and robot motion accuracy are verified by experiments.

Keywords:micro recon robots; embedded linux; wireless communication; motor control

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.04.02

作者簡(jiǎn)介：李廣植，男，碩士研究生；許林，男，博士，副教授；張博，男，碩士研究生。

*基金項(xiàng)目：此項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：61174019；機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：SKLRS-2012-ZD-01。

Citation: LI Guangzhi, XU Lin, ZHANG Bo.Design of Control System based on Embedded Linux for Micro Recon Robots [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(4): 11?17.