基于ARM技术的远程机器人控制通信系统设计毕业论文.docx

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基于ARM技术的远程机器人控制通信系统设计毕业论文

本科毕业论文

论文题目基于ARM技术的远程机器人控制通信系

统设计

摘要随着现代信息技术的发展，远程机器人在实际生活和科研中都发挥着越来越重要的作用。

而对远程机器人来说，一个安全可靠的控制通信协议，是保证远程机器人能正常和安全地被操作的重要因素之一。

本文以ARM硬件平台和嵌入式Linux操作系统为基础，设计了一个可以在无线网络中实现远程操控的机器人控制系统。

首先阐述了机器人的软硬件设计和手持控制终端软件的设计，重点提出并设计了一个基于TCP网络传输协议的新型控制和通信系统，增强了机器人在远程控制方面的安全性。

关键词机器人；控制；通信；Linux

ABSTRACTAlongwiththedevelopmentofthemoderninformationtechnology,remoterobotplaysamoreandmoreimportantroleinreallifeandscientificresearch.Andfortheremoterobot,asafeandreliableprotocolofcontrolandcommunication,wasoneoftheimportantfactorswhichistoensurethattheremoterobotcanbeoperatednormallyandsafety.BasedontheARMhardwareplatformandembeddedLinuxoperatingsystem,aremoterobotcontrolsystemwhichcanoperatebyremotecontrolinthewirelessnetworkisdesigned.Thepaperfirstelaboratesthedesignofthesoftwareandhardwaresystemofrobotandhand-heldterminalcontrolsoftware,focusingonthisdesignproposedanddesignedanewcontrolandcommunicationsystembasedonTCPnetworktransmissionagreement,enhancethewayofsecurityintheremotecontrol.

KEYWORDSRobot;Control;Communication;Linux

1前言

1.1研究背景和意义

根据联合国标准化组织采纳的美国机器人协会给机器人下的定义，机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

机器人技术是一门综合了计算机、电子、通信、信息、传感器技术和人工智能等技术的体现一个国家现代工业自动化、国家现代科学技术水平和经济实力的重要标志的技术，是当今时代世界各国高度重视的研究技术，其应用领域也日益广泛。

而作为机器人学科重要组成部分的远程机器人，具备执行目前人类尚无法执行或者难以执行的诸如太空探索、探险、救灾、搜救和大规模工业自动化生产等方面的任务。

在目前人工智能技术尚未成熟的情况下，借助于现代通信技术和传感器技术，远程机器人具备了感知外部世界和与外部交流的能力。

并且在人类的远程操控下，远程机器人也同样变得越来越智能。

在诸如2011年3月日本福岛发生的核辐射危机处理和火星探索等任务中，远程机器人都是重要的执行力量。

开展远程机器人的研究，对国家在太空探索、探险、救灾、搜救和工业自动化生产等方面都有着重要的意义。

1.2机器人发展历史

随着现代计算机技术和电子技术的迅速发展，人类科学技术水平每一次的重大变革都意味着不断有新发明的机器代替人类从事某些工作。

18世纪60年代开始的第一次工业革命，出现了诸如“蒸汽机”、“珍妮机”等机器取代人力，人类开始运用这些机器开始大规模地开展工业化并开始逐步取代手工劳动。

此后在1946年2月14日，人类历史上第一台计算机——ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生，这标志着人类使用人工智能成为可能。

机器与人工智能的结合使得机器人在人类历史上出现了。

1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中首次提出了“机器人”这一词语。

1959年恩格尔伯格建立的Unimation公司研制出了世界上第一台工业机器人——“护士助手”机器人。

机器人的第二个重大变革是与传感器的结合。

由于传感器的应用提高了机器人的可操作性，人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

此后，随着现代通信技术的出现，无线通信技术成为推动机器人发展的重要力量。

1997年7月4日，美国火星车-索杰纳号机器人抵达火星代替人类进行考察，从而开启了人类利用远程机器人在火星探索的历史。

随后的勇气号、好奇号等火星车也相应地抵达火星，它们的出现给人类在太空探索方面带来了巨大的帮助。

2011年3月，日本也利用了远程遥控机器人参与福岛核泄漏事件的救灾中。

1.3当前国内外研究动态

在国内，20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。

产业化基地的建设，为发展我国机器人产业奠定了基础。

目前，我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，不少品种已经实现了小批量生产。

尽管机器人产业化已呈星火燎原之势，但仍旧存在着诸多问题。

除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同的观点。

为了推动机器人技术的研究和发展，国内一直重视对学生开展机器人研究，为了培养青少年在尖端科学技术方面的兴趣，举办了诸如面向大学生的探索科技、创新思维与实际行动结合的全国范围的全国大学生机器人电视大赛、中国科学技术协会主办的包括机器人工程设计展评、机器人足球比赛、VEX机器人工程挑战赛、机器人单项竞技比赛、FLL机器人挑战赛、机器人擂台赛等比赛项目的中国青少年机器人竞赛。

此外，在军事和民用方面，国内企业注重研究用于开展探险、救灾的机器人，其机器人产品已经广泛应用于玉树抗震救灾、广州亚运安保等任务。

在国外，为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。

在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。

德国正研究开发“MOVEANDPLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。

1.4本论文的主要研究内容

本论文是以ARM9为硬件平台并搭载嵌入式Linux操作系统为基础的研究手持式可视化远程机器人控制系统的控制通信系统方面的问题。

所做工作主要包括以下几个方面：

（1）根据系统需求分析建立基于ARM9微处理器的远程机器人的硬件平台及基于嵌入式Linux操作系统的软件平台的远程机器人嵌入式系统平台。

（2）构建了以ARM9为微处理器和机器人使用的传感器为硬件基础的机器人端硬件平台。

（3）搭建了机器人端硬件平台的嵌入式Linux操作系统平台，在机器人端实现了Uboot、内核和文件系统的移植。

（4）对机器人端的控制方式进行研究，实现了对外围器件的控制。

（5）基于QT图形系统设计了一个手持控制终端程序，对机器人进行手持式可视化远程控制。

（6）基于嵌入式Linux平台，设计了一个高效可靠的基于TCP传输协议的机器人控制和通信系统。

2机器人系统总体设计

2.1嵌入式系统概述

根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。

而国内普遍认同的一种的说法是，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能，对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术。

对嵌入式系统而言，它也是一个计算机系统，其构架与计算机系统相似，可以分成四个部分：

处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件系统。

但与计算机系统不同的是，嵌入式系统具有系统内核小而精简、专用性强、高实时性或者分时性和高稳定性等特点。

2.2ARM微处理器

2.2.1ARM微处理器概述

ARM（AdvancedRISCMachines），既可认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的统称。

ARM（AdvancedRISCMachines）处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的RISC微处理器。

更早称作AcornRISCMachine。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。

一般来讲比等价32位代码节省达35％，却能保留32位系统的所有优势。

基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到人们生活的各个方面。

到目前为止，ARM微处理器及技术已经广泛应用到各个领域，包括工业控制领域、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品等。

2.2.2ARM微处理器的特点

ARM处理器的三大特点是：

耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。

（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。

（4）大多数数据操作都在寄存器中完成。

（5）寻址方式灵活简单，执行效率高。

（6）指令长度固定。

2.2.3ARM微处理器系列

目前，ARM推出的处理器内核主要包括：

ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、Cortex和SecurCore等。

其合作公司根据ARM公司的处理器内核设计出自己的处理器，例如：

德州仪器的Omap和飞思卡尔的iMX等系列处理器。

每个系列都是针对不同的应用场合的，其拥有不同的特性。

2.3嵌入式操作系统

2.3.1嵌入式系统软件结构体系

嵌入式系统软件结构主要可以分为设备驱动、操作系统、应用程序开发库和应用程序等四个层次，如图2-1所示。

图2-1嵌入式系统软件结构图

2.3.2嵌入式操作系统简介

嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，其主要负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。

嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

嵌入式操作系统与普通的计算机操作系统相比，除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，还有系统功能可裁剪、代码通常固化在ROM里面以及与嵌入式微处理器紧密集合等特点。

常见的嵌入式操作系统有：

Linux、uClinux、WinCE、Android、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks和iOS等。

2.3.3嵌入式Linux操作系统简介

嵌入式Linux是在Linux操作系统的基础上，为了能使其在嵌入式计算机系统上运行而进行裁剪修改的一种操作系统。

由于Linux操作系统是一个开源的操作系统，其特点是免费，资源多，开发成本低。

嵌入式Linux既继承了这一开源的特性，又具有嵌入式操作系统的高效精简的特性。

Linux应用领域非常广泛，主要的有信息家电、PDA、机顶盒、数据网络、远程通信、医疗电子、交通运输计算机外设、工业控制、航空航天领域等。

2.4机器人总体设计方案

本文设计的远程机器人控制系统，是基于ARM9嵌入式微处理器和嵌入式Linux操作系统的嵌入式系统平台上实现的一个远程机器人控制系统设计方案，如图2-2所示。

该机器人依靠ARM微处理器和嵌入式Linux操作系统作为中控系统，同时结合摄像头、电子罗盘、GPS等传感器感知周围环境，通过对无线网卡的操作，实现对外界的信息交互，从而实现上位机对整个机器人的远程控制以及机器人对周围环境信息进行采集和处理的功能。

图2-2机器人总体设计框架图

在整个设计方案中，远程机器人硬件系统共分为两部分：

机器人端和嵌入式手持控制终端（也可用PC终端替代）。

对于机器人端，整个嵌入式中控系统负责控制所有的传感器和动力驱动器以及无线网络设备，其与外界通信的唯一通道为无线网络。

对于嵌入式手持终端，本设计是采用了一台基于TIOmap3630嵌入式微处理器的Android平板电脑。

在软件设计方面，嵌入式手持终端，只需开发一个上位机控制程序即可。

而对机器人而言，需要为其构建一个嵌入式Linux操作系统，并在该系统平台上开发一个嵌入式中控系统软件来全面控制机器人。

3机器人嵌入式硬件平台设计

3.1嵌入式系统硬件结构

嵌入式系统的硬件部分可以分为三层：

核心处理器、外围电路和外围设备，如图3-1所示。

图3-1嵌入式系统硬件结构图

核心处理器是嵌入式系统的核心部件，负责控制整个嵌入式系统的运作。

外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位和电源电路、对外设的接口电路等。

随着微电子技术的发展，许多常用的接口电路已经被集成到核心处理器中。

外部设备：

嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括存储设备（如SDCARD）、I/O设备（如键盘、鼠标、LCD等）和打印设备（打印机、扫描仪等）。

实际中，嵌入式设备的硬件配置非常灵活。

除了CPU和基本的外围电路，其余部分都可以根据不同应用进行裁剪。

3.2三星S3C2440A微处理器

S3C2440A是基于ARM920T核的16/32位RISC微处理器,运行频率高达400MHz，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用，适用于开发各类高端手持、小型终端以及网络应用产品，具有非常丰富的片上资源，比如LCD、SDRAM、NANDFLASH、DMA等接口。

S3C2440A集成如下片上功能：

（1）1.2V内核，1.8V/2.5V/3.3V储存器，3.3V扩展I/O，16KB指令Cache（I-Cache）/16KB数据Cache（D-Cache）

（2）外部储存控制器（SDRAM控制盒片选逻辑）

（3）集成LCD专用DMA的LCD控制器（支持最大4K色STN和256K色TFT）

（4）4路拥有外部请求引脚的DMA控制器

（5）3路URAT（IrDA1.0，64-ByteTxFIFO，64ByteRxFIFO）

（6）2路SPI

（7）IIC总线接口（多主支持）

（8）IIS音频编解码器接口

（9）AC`97编解码器接口

（10）1.0版SD主接口，兼容2.11版MMC接口

（11）2路USB主机控制/1路USB期间控制（ver1.1）

（12）4路PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器

（13）8路10位ADC和触摸屏接口

（14）具有日历功能的RTC

（15）摄像头接口（支持最大4096x4096的输入，2048x2048缩放输入）

（16）130个通用I/O，24个外部中断源

（17）电源控制：

正常，慢速，空闲，睡眠模式

（18）带PLL的片上时钟发生器

3.3Mini2440开发板

为了使本设计更加专注于机器人控制通信系统部分的设计，本设计硬件系统主要采用了具备整个嵌入式硬件系统功能的Mini2440开发板。

Mini2440开发板是由广州友善之臂计算机科技有限公司开发的一款基于三星S3C2440A微处理器的开发板。

它具有最基本的系统配置如下：

（1）CPU：

SamsungS3C2440A，主频400MHz，最高533Mhz。

（2）SDRAM：

板载数据总线为32bit的64MSDRAM，SDRAM时钟频率高达100MHz。

（3）FlashMemory：

板载256MNandFlash，掉电非易失。

板载2MNorFlash，掉电非易失。

（4）主要接口和资源：

（A）板上集成4线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏。

（B）1个主USB接口，1个从USB接口。

（C）1路立体声音频输出接口（标准3.5mm接口），1路麦克风接口。

（D）1个100M以太网RJ-45口（采用DM9000网卡）。

（E）1个SD/MMC卡存储接口。

（F）摄像头（Cemera）引出CPU内部全部摄像头信号引脚。

（G）3个串行口。

COM0为RS232DB9接口（亦引出TTL接口），COM2和COM3为2.0mm间距。

（H）1个PWM控制蜂鸣器。

（I）1个34pin2.0mmGPIO接口。

（J）1个40pin2.0mm系统总线接口系统时钟源和RTC：

12M无源晶振，内部实时时钟。

3.4机器人嵌入式硬件系统设计方案

3.4.1机器人嵌入式硬件系统设计总述

整个机器人就是一个典型的嵌入式系统，其硬件的设计就是一个嵌入式硬件系统。

在这个嵌入式硬件系统中，具备三个最重要的组成部分：

电源及复位系统、最小系统和外设。

而本设计采用了广州友善之臂计算机科技有限公司的Mini2440开发板，其具备了基础的电源及复位最小系统，同时也是本设计提出的嵌入式中控计算机硬件系统核心部分。

本设计需要完善的电路设计就是适应机器人功能的外围电路。

本设计的机器人，主要需要设计的外围电路主要是传感器系统电路设计、动力系统电路设计和无线通信系统电路设计。

这三部分的电路设计与Mini2440的接口都是通过直接和三星S3C2440A的GPIO相连而实现的。

整个机器人的硬件总体设计如图3-2所示。

图3-2机器人硬件设计总体设计图

3.4.2传感器系统电路设计

传感器系统是机器人的感官系统，如人体的眼睛和耳朵等器官，具备感知外部世界的能力。

在本设计的远程机器人中，操作人员无法直接感知机器人所在地方的环境信息，这对于机器人来说，必须要求其具备一个对周围环境信息采集的传感器系统。

在本设计中，机器人的传感器系统实现的功能包括采集图像、所在经纬度和运动方向信息等功能。

故该传感器系统包括以下三个组件：

摄像头、GPS和电子罗盘。

由于摄像头是采用USB接口，GPS和电子罗盘都是采用串口接口，而Mini2440已经具备了USB和串口接口，故以上三个器件只需将其与Mini2440相应的接口连接起来就可以了。

具体连接图如图3-3所示。

图3-3传感器系统电路设计图

3.4.3动力系统电路设计

机器人的动力系统是机器人的最基本部件，是驱动机器人运动的重要保障。

常见的机器人运动方式有轮式移动、仿人二足移动、仿人多足移动和飞行移动等方式。

仿人二足移动、仿人多足移动和飞行移动等方式对成本、体积和稳定性要求都非常高，在电路设计和程序控制方面同样是非常复杂。

在目前的实际应用中，相当多的机器人都是采用轮式移动的方式，如火星车等机器人。

对于本设计而言，整个机器人采用履带轮式移动的方式。

整个动力系统电路设计包含三个部件：

两个直流电机和一个L298N电机驱动器。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达4A，持续工作电流为2A;额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

该动力系统与Mini2440的连接方式采用直接GPIO控制，如图3-4所示。

图3-4机器人动力系统电路设计图

3.4.4无线通信系统电路设计

机器人要与外部世界通信，必须具备一个通信系统。

随着现代通信技术的发展，WIFI、2G和3G等现代通信技术都非常成熟，已经广泛应用于各行各业。

本设计采用了目前成本比较低的WIFI方案，该方案有效通信距离可达300米左右，并且可以频道无需付费使用，满足验证本设计的实验条件。

由于Mini2440具备了USB接口，对于本设计而已，只需要连接一个USB无线网卡即可。

故机器人采用了TP-LINKWN721无线网卡，连接图如图3-5所示。

图3-5无线通信系统连接图

4机器人嵌入式系统平台搭建

4.1构建交叉编译工具链

4.1.1交叉编译工具链简介

嵌入式开发一般都要使用交叉编译环境。

所谓交叉编译就是在一台机器上编译软件，其生成的软件在另一台不同类型处理器的机器上运行。

对于ARM处理器平台来说，其处理器性能一般不足以支撑编译适合自身架构运行的软件。

这就需要在X86机器上编译生成适合ARM机器上运行的软件，在X86上编译的ARM架构代码的编译器就是交叉编译器。

通常，对于不同的处理器，需要制作特定的交叉编译工具链。

4.1.2用Crosstool-ng构建交叉编译工具链

Crosstool是由美国人DanKegel开发的一套可以自动编译不同匹配版本的gcc和glibc，并作测试的脚本程序。

它是一个开源项目，但由于其近年来停止更新，最高只支持gcc4.1.1和glibc2.3.6的版本，并且在编译超过Linux2.6.9以上的内核时，会出现错误。

而crosstool-ng则一直保持更新，现在最新能够建立gcc4.5.3版本及glibc2.9版本，在编译高版本的Linux内核时也不会产生错误，因此一般采用crosstool-ng来代替crosstool。

使用crosstool-ng构建交叉编译工具链的主要步骤如下：

（1）下载crosstool-ng源码：

（A）执行命令：

#hgclonehttp:

//crosstool-ng.org/hg/crosstool-ng

（B）然后更新到最新的版本：

#hgpull

通过执行上述两个命令，已经得到了最新版本的crosstool-ng源码了。

（2）修改交叉编译器针对的构架：

（A）解压源码后，使用图形化工具配置crosstool-ng：

#makemenuconfig

（B）在出现的图形界面中修改交叉编译器选项以针对的ARM9构架：

Targetoptions--->

***Targetoptimisations***

（armv4t）Architecturelevel

（arm9tdmi）EmitassemblyforCPU

（arm920t）TuneforCPU

（3）编译工具链：

配置完后，在crosstool-ng编译目录下执行命令：

#ct-ngbuild.4。

crosstool-ng就会自动从网上下载相应的源码包通过编译，制作出ARM9平台的交叉编译工具链。

得到的交