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嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人視覺中的應(yīng)用
基于ARM9的機(jī)器人視覺系統(tǒng)的目標(biāo)是在選定好的S3C2410平臺(tái)上移植并配置Linux操作系統(tǒng)，針對(duì)平臺(tái)和應(yīng)用的特點(diǎn)，制作合適的文件系統(tǒng)，為機(jī)器人視覺系統(tǒng)構(gòu)建穩(wěn)定的軟硬件開發(fā)環(huán)境。其次編寫應(yīng)用程序，通過S3C2410平臺(tái)，從USB攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，并利用這款嵌入式處理器的強(qiáng)大運(yùn)算能力，對(duì)圖像進(jìn)行后期的處理，完成目標(biāo)識(shí)別與定位，作為機(jī)器人動(dòng)作單元的輸入。最后針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)所使用的電機(jī)，編寫特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，保證操作系統(tǒng)可準(zhǔn)確地控制機(jī)器人動(dòng)作，響應(yīng)視覺處理的結(jié)果，開發(fā)一套完整的"機(jī)器人視覺系統(tǒng)"。
〔關(guān)鍵詞〕：嵌入式系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng) Linux 視覺
隨著Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等的結(jié)合日益緊密，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合已成為大勢(shì)所趨。此時(shí)期新的微處理器層出不窮，要求嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加便于移植，支持更多的微處理器。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要強(qiáng)大的硬件開發(fā)工具和軟件支持包。通用計(jì)算機(jī)上使用的新技術(shù)、新觀念開始逐步移植到嵌入式系統(tǒng)中，如嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、移動(dòng)代理、實(shí)時(shí)CORBA等。各類嵌入式Linux操作系統(tǒng)在全球數(shù)以百萬(wàn)計(jì)愛好者的合力開發(fā)下迅速發(fā)展，由于具有源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核小、執(zhí)行效率高、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)，多媒體人機(jī)交互界面友好等特點(diǎn)，很適合信息家電等嵌入式系統(tǒng)的需要。
一、嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
早期的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通常采用"硬件優(yōu)先"原則，即在只粗略估計(jì)軟件任務(wù)需求的情況下，首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。然后，在此硬件平臺(tái)上再進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。因而很難達(dá)到充分利用軟硬件資源，取得最佳性能的效果。同時(shí)，一旦需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)流程將重新進(jìn)行，這對(duì)成本和設(shè)計(jì)周期的影響很大。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能改善軟件/硬件各自的性能，在有限的設(shè)計(jì)空間不可能對(duì)系統(tǒng)做出較好的性能綜合優(yōu)化，在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)。
上世紀(jì)90年代以來，隨著電子系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大和微型化，硬件和軟件也不再是截然分開的兩個(gè)概念，而是緊密結(jié)合、相互影響的。因而出現(xiàn)了軟硬件協(xié)同(codesign)設(shè)計(jì)方法，即使用統(tǒng)一的方法和工具對(duì)軟件和硬件進(jìn)行描述、綜合和驗(yàn)證。在系統(tǒng)目標(biāo)要求的指導(dǎo)下，通過綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能及現(xiàn)有資源，協(xié)同設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以最大限度地挖掘系統(tǒng)軟硬件能力，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)而帶來的種種弊病，得到高性能低代價(jià)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
二、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
在網(wǎng)絡(luò)、通信、微電子發(fā)展的基礎(chǔ)上，以及勢(shì)不可擋的數(shù)字化信息產(chǎn)品的強(qiáng)大需求推動(dòng)下，嵌入式技術(shù)具有廣闊的發(fā)展創(chuàng)新空間。
(1)低功耗、高性能、高可靠性的系統(tǒng)需求對(duì)我國(guó)芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)遇。以嵌入式處理 器為領(lǐng)頭的國(guó)產(chǎn)CPU、片上系統(tǒng)(SoC)、片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(NoC)將有很大的發(fā)展。
(2)Linux正逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流；J2ME技術(shù)也將對(duì)嵌入式軟件的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前自由軟件技術(shù)備受青睞，并對(duì)軟件技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核不僅需要具有微型化、高實(shí)時(shí)性等基本特征，還將向高可信性、自適應(yīng)性、構(gòu)件組件化方向發(fā)展；支撐開發(fā)環(huán)境將更加集成化、自動(dòng)化、人性化；系統(tǒng)軟件對(duì)無(wú)線通信和能源管理的功能支持將日益重要。近幾年來，為使嵌入式設(shè)備更有效地支持Web服務(wù)而開發(fā)的操作系統(tǒng)不斷推出。這種操作系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上采用面向構(gòu)件、中間件技術(shù)，為應(yīng)用軟件乃至硬件的動(dòng)態(tài)加載提供支持，即所謂的"即插即用"，在克服以往的嵌入式操作系統(tǒng)的局限性方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。
(3)Java虛擬機(jī)與嵌入式Java將成為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的有力工具。嵌入式系統(tǒng)的多媒體化將變成現(xiàn)實(shí)。它在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的應(yīng)用已是不可抗拒的潮流，并將占領(lǐng)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的主導(dǎo)地位。
(4)嵌入式系統(tǒng)與人工智能、模式識(shí)別技術(shù)的結(jié)合，將開發(fā)出各種更具人性化、智能化的實(shí)際系統(tǒng)。智能手機(jī)、數(shù)字電視，以及汽車電子的嵌入式應(yīng)用，是這次機(jī)遇中的切入點(diǎn)。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展，以嵌入式移動(dòng)設(shè)備為中心的"無(wú)所不在的計(jì)算"將成為現(xiàn)實(shí)。
三、嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用
不論是在工業(yè)控制中，還是在商業(yè)領(lǐng)域里，機(jī)器人技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。從用于生產(chǎn)加工的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人到豐富大眾生活的現(xiàn)代娛樂機(jī)器人，都與嵌入式系統(tǒng)密不可分。現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人，都采用單片機(jī)作為控制單元，以8位和16位最為常見，其處理速度較低，沒有操作系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)豐富的多任務(wù)功能，系統(tǒng)的潛力沒有得到充分的發(fā)掘和應(yīng)用。
基于ARM9的機(jī)器人視覺系統(tǒng)的目標(biāo)是在選定好的S3C2410平臺(tái)上移植并配置Linux操作系統(tǒng)，針對(duì)平臺(tái)和應(yīng)用的特點(diǎn)，制作合適的文件系統(tǒng)，為機(jī)器人視覺系統(tǒng)構(gòu)建穩(wěn)定的軟硬件開發(fā)環(huán)境。其次編寫應(yīng)用程序，通過S3C2410平臺(tái)，從USB攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，并利用這款嵌入式處理器的強(qiáng)大運(yùn)算能力，對(duì)圖像進(jìn)行后期的處理，完成目標(biāo)識(shí)別與定位，作為機(jī)器人動(dòng)作單元的輸入。最后針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)所使用的電機(jī)，編寫特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，保證操作系統(tǒng)可準(zhǔn)確地控制機(jī)器人動(dòng)作，響應(yīng)視覺處理的結(jié)果，開發(fā)一套完整的"機(jī)器人視覺系統(tǒng)"。
1. 硬件平臺(tái)的選型和搭建
機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。全身由24個(gè)舵機(jī)組成，控制24個(gè)關(guān)節(jié)。通過對(duì)舵機(jī)的控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作。
(1)視覺系統(tǒng)
采用USB攝像頭作為視覺采集器件。其優(yōu)點(diǎn)是接口通用，驅(qū)動(dòng)豐富，傳輸速率快。同時(shí)，Linux操作系統(tǒng)對(duì)于USB設(shè)備的支持較好，方便了應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試。網(wǎng)眼(WebEye)v2000攝像頭，采用了ov511芯片(Linux源代碼中有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序)，適合用于開發(fā)。
這里采用高端的32位嵌入式微處理器：基于ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C2410芯片(由三星公司生產(chǎn))，其主頻為200MHz。它提供了豐富的內(nèi)部設(shè)備：分開的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬存儲(chǔ)器管理、LCD控制器、支持NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)、系統(tǒng)管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定時(shí)器、I/O端口、RTC、8通道10位ADC和觸摸屏接口、IIC-BUS接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備、SD主卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器。S3C2410采用了ARM920T內(nèi)核，0.18μm工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。
(2)硬件平臺(tái)組成
見圖2，一塊核心母板，配備CPU、16MB的NOR Flash、64MB的NAND Flash、32MB的SDRAM，并設(shè)置系統(tǒng)從NAND Flash啟動(dòng)；一塊外設(shè)電路板，負(fù)責(zé)系統(tǒng)和外設(shè)器件的連接，布設(shè)有2個(gè)USB接口、1個(gè)UART口、24個(gè)3針插座(用于控制機(jī)器人的關(guān)節(jié))以及電源接口等。核心母板與外設(shè)電路板通過內(nèi)存插槽進(jìn)行連接。
分開設(shè)計(jì)的好處有：升級(jí)核心母板可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理能力的提高；而更換外設(shè)電路則可適應(yīng)不同的應(yīng)用。這樣就大大節(jié)約了硬件成本，對(duì)于開發(fā)和調(diào)試也是非常有利的。同時(shí)，核心母板本身就是一個(gè)最小系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，保證最小系統(tǒng)的可靠性是開發(fā)的第一步。
調(diào)試核心母板以及外設(shè)電路至工作正常。確保開發(fā)板與PC機(jī)通信(利用Windows下的超級(jí)終端工具，通過串口線連接開發(fā)板與PC機(jī))。
2. 軟件平臺(tái)的構(gòu)建和配置
目前，越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用了Linux作為操作系統(tǒng)。Linux功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)齊全，配置靈活，內(nèi)核緊湊，從來就與嵌入式系統(tǒng)有密不可分的關(guān)系。Linux內(nèi)核版本眾多，其中2.4系列比較成熟，在嵌入式平臺(tái)中應(yīng)用廣泛，資料齊全。這里使用Linux- 2.4.18-rmk7-pxa1版本。
a. 配置開發(fā)板軟件環(huán)境
將系統(tǒng)引導(dǎo)程序(俗稱bootloader，其功能相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS)燒寫進(jìn)入S3C2410核心母板。這里采用了三星公司推薦的vivi程序。通過對(duì)vivi中參數(shù)的設(shè)置，完成對(duì)Flash的分區(qū)。
b. 配置、編譯、下載內(nèi)核
(1)下載源代碼，在PC端建立交叉編譯環(huán)境；armv4l-unknown-linux-gcc可以將Linux內(nèi)核編譯為適用于ARM體系結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制代碼；
(2)配置內(nèi)核：使用make menu-config命令，將USB設(shè)備支持、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)(針對(duì)OV511芯片)、NAND Flash驅(qū)動(dòng)，以及掛載嵌入式文件系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核中；
(3)編譯內(nèi)核：使用交叉編譯工具，將源代碼編譯為可執(zhí)行二進(jìn)制內(nèi)核鏡像，生成文件zImage；
(4)下載內(nèi)核：將zImage通過串口線，利用vivi的數(shù)據(jù)燒寫功能，下載到Flash的內(nèi)核分區(qū)中(kernel)；
c. 制作文件系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)中常見的文件系統(tǒng)有CRAMFS、JFFS、JFFS2、YAFFS等。考慮到實(shí)際的需求，這里采用了CRAMFS。在內(nèi)核配置時(shí)對(duì)CRAMFS的驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行靜態(tài)編譯，并且利用mkcramfs工具制作經(jīng)過仔細(xì)裁剪的文件系統(tǒng)映像，利用vivi的燒寫指令下載到Flash的root分區(qū)。最終的文件系統(tǒng)映像小于3MB，這是由嵌入式系統(tǒng)較為緊張的存儲(chǔ)資源決定的。
啟動(dòng)系統(tǒng)，通過PC機(jī)的超級(jí)終端，可看到啟動(dòng)信息：包括內(nèi)核的版本、Flash分區(qū)表、交叉編譯器的版本，以及內(nèi)核中靜態(tài)編譯的組件等。
3. 驅(qū)動(dòng)程序的編寫和應(yīng)用程序的開發(fā)
視覺功能的最終實(shí)現(xiàn)，首先需要為機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)編寫驅(qū)動(dòng)程序，使操作系統(tǒng)可完成對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的控制，作為對(duì)視覺結(jié)果的響應(yīng)。視覺絕非最終目的，而是機(jī)器人獲取信息的一種途徑，其根本目的在于為機(jī)器人的動(dòng)作、行為提供策略或數(shù)據(jù)支持。單純的視覺并沒有意義。
機(jī)器人全身的關(guān)節(jié)均為舵機(jī)。舵機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，外部只有3個(gè)引腳：電源、地、PWM信號(hào)。對(duì)舵機(jī)的控制實(shí)際上就是要產(chǎn)生頻率、脈寬合適的PWM波。
S3C2410芯片內(nèi)部集成4個(gè)PWM發(fā)生單元。驅(qū)動(dòng)程序利用其中的一個(gè)作為機(jī)器人頭部電機(jī)的控制信號(hào)源，通過改寫寄存器的值，改變頻率和占空比，產(chǎn)生期望的PWM波。
將驅(qū)動(dòng)程序交叉編譯為模塊，在系統(tǒng)啟動(dòng)后動(dòng)態(tài)地插入內(nèi)核中。模塊加載前獨(dú)立于內(nèi)核，方便了驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試。編寫簡(jiǎn)短的測(cè)試程序，確認(rèn)關(guān)節(jié)電機(jī)可以正常工作。
這里為機(jī)器人視覺系統(tǒng)搭建了一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景：活動(dòng)的目標(biāo)小球在背景中運(yùn)動(dòng)，期望機(jī)器人可以識(shí)別目標(biāo)并對(duì)其定位，最后控制頭部跟隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)(好像機(jī)器人在盯著活動(dòng)目標(biāo)觀察一樣)。
機(jī)器人視覺處理程序的主要功能為：
(1)從USB攝像頭實(shí)時(shí)讀取視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理；
(2)隨后進(jìn)行圖像處理，主要完成空域的圖像增強(qiáng)。通過對(duì)圖像進(jìn)行二值化，將目標(biāo)小球從背景中提取出來；
(3)計(jì)算目標(biāo)的位置，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)器人頭部的旋轉(zhuǎn)角度，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，控制機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)所在角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人頭部可較好地跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了視覺原型系統(tǒng)。
4. 拓展性工作
機(jī)器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)只是嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)方面。事實(shí)上，還有很多值得我們繼續(xù)去實(shí)現(xiàn)的子系統(tǒng)，諸如語(yǔ)音系統(tǒng)(語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音輸出)、行走控制(設(shè)計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的行走)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(未來的機(jī)器人將不再會(huì)是獨(dú)立的個(gè)體，多機(jī)器人的協(xié)同工作是必然的趨勢(shì)；同時(shí)，機(jī)器人同其他設(shè)備的連接需求也越來越迫切)等等。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，雖然目前的嵌入式處理器已經(jīng)具備了比較強(qiáng)大的功能，但是受功耗、體積、成本因素的限制，在實(shí)時(shí)視頻(音頻)
處理、多媒體協(xié)同計(jì)算等方面，其速度仍然無(wú)法滿足需求；所以，更強(qiáng)勁的嵌入式處理器也是將來在為機(jī)器人選擇控制單元時(shí)的重要考慮因素。
四 嵌入式系統(tǒng)的前景
從本文所述的機(jī)器人視覺系統(tǒng)中就可看出嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大功能與廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。在當(dāng)今數(shù)字信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC(Post-PC)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)(PDA、掌上計(jì)算機(jī))、信息家電(數(shù)字電視、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)、無(wú)線通信設(shè)備(智能手機(jī)、股票接收設(shè)備)、工業(yè)/商業(yè)控制(智能工控設(shè)備、POS/ATM 機(jī))、電子商務(wù)平臺(tái)、甚至軍事應(yīng)用等諸多領(lǐng)域，其前景無(wú)疑是令人非常樂觀的。
