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1、第一章 绪 论1.1 引言自主机器人研究领域最主要的两个研究方向是嵌入式系统与机器视觉。六十年代末机器人视觉研究才出现，七十年代机器人控制的研究领域才开始采用视觉信息，伴随着专门的图像处理硬件技术的飞速发展与提高，到了八十年代后期，机器人视觉控制才开始迈向系统化的这一研究方向领域，到了九十年代的时候，快速 CCD 摄像机和图像处理硬件的迅速发展，更重要的是伴随着微电子技术的进步与发展，快速普及和更新换代高性能、大容量、高速的计算机，机器人视觉控制技术才能够获得高速的发展和进步。当前，软硬件环境的要求高、成本比较昂贵、体积比较大，机器视觉基本都建立在 PC-BASED 或 PLC-BASED 这
2、俩个系统之上，因此应用的范围将有一定局限，然而现今随着IC制造技术的快速发展，无论在价格、体积、还是性能上基于32位单片机的嵌入式系统都能非常好的满足机器人控制的要求。机器人技术的发展从来都是与嵌入式系统的发展息息相关的。当今由于随着高度发展的嵌入式处理器，机器人从硬件到软件也展现出新的发展趋势，当前控制系统的结构和机器人的智能程度都将在迅猛的提高与发展。1.2嵌入式系统概述计算机技术为基础和应用作为中心，而且软硬件可被裁剪，这就是嵌入式计算机系统。这个系统有着十分严格要求的专用计算机系统，它适用于对应用系统功能、可靠性、成本、体积、功耗都有着相对苛刻的条件。计算机硬件系统被集成了操作系统和应
3、用软件，也就是系统的应用软件与系统的硬件进行了一体化。嵌入式系统非常适应于要求实时和多任务处理下的具体情况来运用，它具有诸多特点例如软件代码特别少、自动化高度、响应速度非常快。它与通用型计算机系统相比较而言，嵌入式系统功耗低、可靠性高、性能价格比高、功能强大、面向特定应用。这个系统主要由这几部分组成：嵌入式操作系统、嵌入式处理器、相关支撑硬件及应用软件系统等，嵌入式系统是被内部计算机控制的设备或者系统，它只执行执行专用功能。一般不能使用通用型计算机，它运行的是固化的软件，即是固件(firmware)，终端用户不能改变固件，1.2.1 嵌入式系统特点与应用领域与桌面计算机系统设计有很大的不同，嵌
4、入式计算机系统设计的一个方面在于:嵌入式系统555功能和具体的应用环境非常受到限制，例如对外部事件必须确保在规定时间内进应，有体积重量的要求，散热必须符合环境要求，安全性、可靠性，系统本身的成本需求等，其特点具体来说:(1) 产品生产成本的敏感度。嵌入式计算机系统的需求非常迫切，但成本依然是十分重要需要考虑的因素。大家同样对成本非常关心，无论系统的大小，但是他们对变化的反应却有着极大的差别。(2) 体积和重量。因为一部分嵌入式系统是安装在飞机或一些手提式便携设备上因此我们需要考虑体积和重量因素的影响。(3) 安全性和可靠性。人为操作失误、设备的受损都会导致嵌入式计算机系统不能正常工作。双机冗余
5、备份或分布式交互协议能够保证某设备出错后整个系统继续工作，最小冗余的低成本系统的可靠性是个挑战。(4) 复杂的应用环境。光、电源抖动、水腐蚀、热、振动、冲击、火等都会对嵌入式系统有影响，因为很多嵌入式系统工作环境是不可控的。单片机和基于单片机的嵌入式系统的应用发展是非迅猛，从科研、农业、工业、国防、到教育以及日常生活用品（家电、玩具）等各个领域自从20世纪80年代到现在。嵌入式计算机在应用在数量上超过了各种通用计算机应用，一台通用计算机的外部设备中由嵌入式处理器控制就包含了 5-10 个嵌入式微处理器，显示卡、显示器、键盘、鼠标、硬盘、显示卡、显示器、声卡、打印机、扫描仪、数字相机等许多设备和
6、电子器件，嵌入式系统应用领域发展快速，下面是应用嵌入式系统的一些主要领域：(1) 导航控制方面智能武器装置、导弹控制、航天导航系统、电子干扰系统等。(2) 工业方面电机控制、物理量的检测与处理、工业机器人、智能传感器等。(6) 数据处理方面 (3) 民用方面电子玩具、记事薄、高级电子游戏机、录像机、洗衣机、抽湿机、消毒柜、空调机、电风扇、防盗控制等。(4) 电讯方面调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换机等。(5) 仪器仪表方面智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波器等。(6) 数据处理方面图形终端、复印机、硬盘驱动器、打印机、打字机等。(7) 汽车方面点火控制、变速控制、防滑刹车、节能控制
7、、保安控制、冷气控制、汽车报警控制、测试设备等。1.2.2 嵌入式系统发展历程与趋势以下 3 个阶段是嵌入式技术的发展大致经历的第 1 阶段：在嵌入式技术的初期阶段，主要是功能简单的专用计算机和单片机为核心的可编程控制器的形式发展存在，此时它具有监测、伺服、设备指示等一些基本功能功能。在工业控制和飞机、导弹等武器装备中应用这种系统，早期系统中没有操作系统的支持，我们使用汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清空内存即可。这一阶段系统的主要特点是：处理效率比较低下，存储容量非常小，系统结构和功能都比较单一，没有用户接口，适用于各类专用领域之中。第 2 阶段:以嵌入式 CPU 和嵌入式操作系统
8、作为标志的嵌入式系统的发展。系统在这一阶段的主要特点有：嵌入式计算机硬件的出现具有高可靠、低功耗的功用，开始出现非常多的商用嵌入式操作系统并得到迅速发展，嵌入式操作系统能运行于各种不同的微处理器上，备高度的模块化和扩展性，兼容性好，操作系统内核精小、效率高；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具备大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。第 3 阶段：芯片技术和 Internet 技术为标志的嵌入式系统。随着微电子技术迅猛发展，SOC（片上系统）使嵌入式系统集成化越来越高，功能也越来越强大。目前大多数嵌入式系统还未采用 Inte
9、rnet 技术，嵌入式技术与 Internet 技术的结合极大的推动嵌入式技术的高速发展伴随着 Internet 的发展以及 Internet 技术与工业控制技术的紧密结合。嵌入式市场展现了美好前景，以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品为它的发展注入新的生命力;与此同时也对嵌入式系统技术，嵌入式系统的发展也对软件技术提出了新的挑战。这些挑战主要有: 灵活的网络联接、支持日益增长的功能密度、多媒体的信息处理和轻便的移动应用。另外，对付更加激烈的市场竞争需要记忆考虑。(1) 强大的开发工具和操作系统的支持是嵌入式应用软件的开发所需要的必要条件，伴随着因特网技术的日趋成熟、ICP和ASP在网上提供
10、的信息内容日趋丰富、带宽的显著提高，应用项目多样化，就如电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能将更加多样化结构也更加复杂。设计师为了满足应用功能的多样化，他们一方面采用更加强大的嵌入式处理器如32位、64位R工SC芯片或信号处理器DSP增强处理能力;与此同时还采用交叉开发工具技术和实时多任务编程技术来控制功能复杂化的程度，保障软件质量和缩短开发周期，简化应用程序设计。当前，国外商品化的嵌入式实时操作系统己进入我国市场的有WindRiver,Microsoft, QNX和Nuclear等产品。科银(CoreTek)公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem是我国自主开发的嵌
11、入式系统软件产品，它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统，而且还包括LamdaTool、测试工具交叉开发工具套件、应用组件等;中科院也推出了Hope嵌入式系统。(2) 网络互联成为必然趋势，为适应嵌入式应用上网要求和分布处理的结构，配备统一标准的一种或多种网络通信接口是21世纪的嵌入式系统要求。嵌入设备必需配有通信接口，由于外部联网要求，与之相应也需要TCP/IP协议软件的支持;新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或工rDA通信接口，通信组网协议软件和物理层驱动软件也是必要的支持。Web或无线Web编程模式支持应用软件的特定编程模式，还需要相应的
12、浏览器如HTML、WML等。(3) 提供精巧的多媒体人机界面，嵌入式设备之所以为的用户乐于接受重要因素之一就是它们与使用者之间的人机交互界面的特色。以GUI屏幕为中心的多媒体界面可以实现人们与信息终端交互的要求。语音拨号上网、收发电子邮件手写输入以及彩色图形、图像己经日趋成熟。当前先进的PDA在显示屏幕上己可以实现汉字写入、短消息语音传达，但离掌式语言同声翻译需要技术的深入发展。 (4) 实现小尺寸、微功耗和低成本来支持小型电子设备，这就要求嵌入式产品设计者需要降低处理器的性能和限制内存容量并且需要采用复用接口芯片。支持这些设备对嵌入式软件设计技术要求需要相应的提高。如，既要软件人员有丰富经验
13、，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java, Web和WAP等。因此，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用Java编程模式，优化编译器性能。1.2.3 嵌入式系统与机器人技术机器人技术的发展与嵌入式系统的发展从来就是紧密联系在一起的.近年来，机器人从硬件到软件也呈现出新的发展趋势主要归功于嵌入式处理器的高速发展，在控制系统的结构和机器人的智能程度诸多方面都得到了极大的提高.好的算法以及算法实现平台是机器人智能化的一个非常重要的前提.在国外使用嵌入式系统的机器人发展已经比较成熟了，布里斯托尔的UWE智能自治系统试验室(UWE Bristols Intelligent Autonomous Sy
14、stems (IAS) Laboratory)已经使用Linux作为一个操作平台，构架基于PC的智能机器人系统。Alan FT Winfield在他的一篇论文6中，详细介绍此机器人系统的构建。火星车就是也是典型的例子，这个价值10亿美金的技术高密集移动机器人，使用嵌入式Vxworks作为操作系统，它可以在不与地球联系的情况下自主工作。ZDNet英国在2001年9月报道富士通开发了居于Linux系统的人形机器人系统。这台Hoap-1的机器人，48厘米高，6公斤重，采用RTLinux作为操作系统，这台机器人代表着开放的机器人平台一次重大发展。但与国外相比，嵌入式在机器人中应用的深度和广度还是有一定
15、差距。国内使用嵌入式系统作为机器人的开发平台的最近几年也得到蓬勃发展，如中科院自动化所开发的移动机器人CASIA系列和东北大学方正等在论文设计的嵌入式智能机器人平台。 1.3 机器视觉概述机器视觉主要是用计算机从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解来模拟人的视觉功能，用于实际检测、测量和控制等。在20世纪初期机器视觉技术才得以崭露头角，伴随着专业化图像处理技术的深入发展与计算机成本的大幅下降，嵌入式系统已经广泛应用于机器人和自动化检测、军事领域、医疗行业等传统的以及新兴的高科技产业领域之中。当今机器视觉系统对于设备高效化、智能化、自动化、高精度途径中必不可少的功能模块。 “机器视觉是通
16、过光学的装置和非接触的传感器自动的接受和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人动作的装置”。美国制造工程师协会机器视觉分会和美国机器人协会的自动化视觉分会对机器视觉是这样下定义的。机器视觉最主要是通过计算机软件来处理和分析图像来做出结论。也可以这样来说，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，它具有自动化、客观、非接触和高精度等诸多优点。大批量生产过程中的测量、检查和辨别非常适合机器人视觉系统，对于大批量生产有很好的经济效益。1.3.1 机器视觉系统构成与应用领域图像数字化模块、图像处理模块、光学系统、图像捕捉系统、智能判断和决策模块、控制执行模块是典型机器人视觉系统的组。，如图1.1所示：系统采用摄像机或者其它图像传感模块可以把目标转换为图像信号，然后再将其转变成数字化信号之后传送给专用的图像处理模块，依据像素的分布、亮度和颜色等信息来进行各种运算之后
