3g智能机器人系统驱动开发毕业论文(编辑修改稿)

3g智能机器人系统驱动开发毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

系统是嵌入式操作系统的一部分，它的任务是对逻辑文件进行管理，其工作包括提供对逻辑文件的操作（复制、删除、修改等 ） 接口，方便用户操作文件和目录。 在文件系统内部，根据存储设备的特点，使用不同的文件组织模式来实现文件的逻辑结构。 此外，文件系统要对管理文件的安全性负责。 文件系统不能直接控制物理设备，它是通过 FLASH 驱动实现控制的。 目前 FLASH支持的文件系统技术主要有 JFFS2， YAFFS2， TrueFFS， FTL／ NTFL， RAMFS，CRAMFS 和 ROMFS 等 等。 本系统采用的是 CRAMFS 文件系统和 YAFFS 文件系统并存，并采用 Ramdisk 在内存中模拟硬盘分区。 CRAMFS 是针对 Linux 内核 2． 4 之后的版本所设计的一种新型文件系统，是一个只读压缩的文件系统，其主要优点是将文件数据以压缩形式存储，在需要时进行解压缩。 一般嵌入式存储器价格比较高，用 CRAMFS 文件系统比较省空间，对于 FLASH 这样的小系统， CRAMFS 是十分不错的选择。 不过也是由于文件形式是压缩的格式，所以文件系统不能在 FLASH 上直接运行。 虽然可以节约不少 FLASH 空间，但是文件系统运行时需要 将大量的数据复制到 RAM 中，因此消耗了 RAM 空间。 YAFFS 类似于 JFFS／ JFFS2，是专门为 NAND闪存设计的嵌入式文件系统，根据 NAND 闪存以页面为单位存取的特点，将文件组织成固定大小的数据段。 利用 NAND 闪存提供的每个页面 16 字节的备用空间来存放 ECC（ Error Correction Code） 和文件系统的组织信息，不仅能够实现错误检测和坏块处理，也能够提高文件系统的加载速度。 YAFFS 采用一种多策略混合的垃圾回收算法，结合了贪心策略的高效性和随机选择的平均性，达到了兼顾损耗平均和系统开销的目的。 它是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保护，可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影响。 YAFFS 文件系统是按层次结构设计的，分为文件系统管理层接口、 YAFFS 内部实现层和 NAND 接口层，这样就简化了其与系统的接口设计，可以方便地集成到系统中去。 与 JFFS 相比，它减少了一些功能，因此速度更快，占用内存更少 [3]。 综合考虑，本系统采用两种文件系统相结合的方法，使用 CRAMFS 作为根文件 10 信息科 学与技术学院学士学位论文 系统，并添加对 YAFFS 文件系统的支持。 Ramdisk 相当于一块硬盘空间，可以理解为在内存中虚拟出来一块硬 盘，所以上面有系统支持的各种文件系统 [4]。 Ramdisk 的特点之一就是速度快，因为它是在 RAM中运行的。 不过由于 RAM 是掉电不保存的，所以系统在每次重启时，前面的工作无法保存，所以需要在 FLASH 中划出一个 Ramdisk 和另一个文件系统 YAFFS，这样，数据文件可以保存在 YAFFS 分区中。 另外，本系统需要 MTD（ MemoryTechnology Devices，内存技术设备 ） 的支持。 MTD 是对 FLASH 操作的接口，提供了一系列的标准接口函数，将硬件驱动和系统程序设计分开，硬件驱动人员不用了解存储设备的组织 方法，只需要提供标准的函数调用，比如读、写等等。 嵌入式 Linux 系统硬件结构 ARM 处理器简介 ARM 嵌入式微处理器是全球领先的 16／ 32 位 RISC 处理器芯片知识产权设计供应商 ARM（ AdvancedRISCMachines）公司的产品。 ARM 公司本身不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。 ARM 处理器以其完整的体系结构发展系列，极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入对象的不同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 基于 ARM 技术的微处理器应用占据了 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我们生活的各个方面。 采用 RISC 架构的 ARM微处理器一般具有如下特点 [5]： （ 1） 支持 Thumb（ 16 位 ） ／ ARM（ 32 位 ） 双指令集，能很好的兼容 8 位／ 16位器件 ； （ 2） 大量使用寄存器，指令执行速度更快； （ 3） 加载／存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作； （ 4） 简单的寻址模式，所有加载／存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决 11 信息科 学与技术学院学士学位论文 定，执行效率高； （ 5） 统一的和固 定 的指令域，简化了指令的译码； （ 6） 每一条数据指令都对算术逻辑单元 （ ALU)和移位器进行控制，以实现对ALU 和移位器的最大利用； （ 7） 址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； （ 8） 多存储器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量； （ 9)所有指令 的条件执行实现了最快速的代码执行。 目前， ARM 处理器有 ARM ARM ARM9E、 ARMl0、 ARMll 和 SecurCore等系列。 每个系列除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，都有各自的 特点和应用领域 [1]。 12 信息科 学与技术学院学士学位论文 3 3G 智能机器人的总体设计 软件开发平台设计 3G 智能机器人的软件开发平台采用基于行为的控制思想，系统构架遵循面向对象的设计风格，通过各种抽象类的组合来组织代码，条理清晰便于理解。 软件构架层次关系如图 31 所示。 图 31 系统软件框架 硬件通讯层：是一些直接与硬件设备通讯的对象，这里包括一个机器人主体的数据交流的串口通讯对象。 视频捕捉因为对通讯速率 要求很高，通过 USB 链接，所以其设备对象与机器人主体独立开。 工程中的硬件通讯层基类为 IBhy，这是一个抽象类，具体的硬件类都从这个基类派生，如里面的串口硬件类为 CRoSCom[6]。 指令协议层：这一层是机器人控制构架的核心，指令协议对象将进行机器人实体控制指令的编制以及对下位机返回的传感器数据和机器人状态的解析转换。 工程的指令协议层类为 CRoCmd，其成员函数包含了对机器人的所有的基本操作 [6]。 行为层：这一层是一些抽象类行为的对象，这些对象通过协议对象的传感器数据进行局部的行为规划，并操作协议对象向机 器人底层发送控制指令。 这一层虽然并电脑， 3G 手机登远程终端 仲裁决策对象 机器人指令对象 视频捕捉控制对象 硬件通信对象 视频输入设备实体 机器人主体设备 其他设备 13 信息科 学与技术学院学士学位论文 存了很多对象，但是同一时刻只能允许一个行为对象与协议对象连接，以避免出现行为混乱的情形。 机器人的各种行为切换通过改变与协议层连接的行为对象来实现。 工程中的行为层基类为 IBhavior，与硬件层一样这只是一个抽象类，它本身包括了所有可能的传感器信息返回函数 [6]。 决策层：这一层是机器人本地的最高层，仲裁对象通过本地传感器数据、机器人运行状态以及远程端发来的指令数据进行各种行为组织。 它既可以直接操作协议层对象发送机器人控制指令，也能通过行为对象的切换间接控制机器人的运行。 决策层在工程中并不以单独的形式出现，是由一系列通讯类和行为替换操作组成。 根据应用的不同可分为单行为决策结构，聚合式行为决策结构以及包容式行为结构 [6]。 上面介绍了一种基于 ARM9 嵌入式系统的 3G 智能机器人的基本组成模块，软件层次的设计，这种方案较好的做到了在成本和性能上的妥善处理，改善了开发研究过程 ,同时也为其他类型的 3G 机器人的设计提供了一个参考，如拟人型机器人。 嵌入式系统领域的软硬件技术， 3G 网络技术与物联网技术的迅猛发展，各种应用层出不穷将这些技术融合到机器人的设计中 ,有助于提高机器人的综合性能。 机器人控制器硬件设计 3G 智能机器人可以在 Android 手机上安装项目开发的 Android 程序，实现远程控制智能机器人。 机器人利用其丰富的传感器实时检测周围的环境参数，并在遇到紧急情况时主动通知用户。 机器人和手机间可以实现视频、语音等多媒体通讯。 用户可以通过手机控制机器人运动，也可以通过机器人控制家中的其它智能设备。 3G智能机器人包括传感器技术 ， RFID 射频识别技术， Wifi 通讯技术， Android 手机开发技术，音、视频采集、处理技术，多媒体传输技术， Linux 驱动编程技术，电源管理技术，电机控制技术 ， Linux 网络开发技术， Linux 其它应用编程技术， ARM 开发技术 [6]， 由于时间和条件的限制， 结构还不是非常的晚上，所以 用于实际工程还需要进行 一些功能的完善。 其硬件系统框如 32 所示。 14 信息科 学与技术学院学士学位论文 图 32 硬件框架图 DFPPRK 是基于 Android 开源项目的全向移动机器人平台，机器人平台机身采用高档拉丝氧化铝材料制造，外观美观并且坚固耐用。 DFPPRK 装备有三个可全向运动的轮子，能够灵活地在家具之间穿行。 自由度云台可方便安装摄像头。 在平台上可添 加 PDA， MID 等主控设备即可组成可通过 WiFi 无线网络接入互联网的机器人，这样以来便可通过计算机或是手机对环境情况进行远距离监控。 由于时间和条件的限制， 所以 用于实际工程还需要进行 一些功能的完善。 远程监控客户端的设计 首先在自己脑海中要把思路理清楚，然后一步一步的去实现，客服端主要的操作流程如图 33。 图 33 客服端的过程图 服务端开启监听和视频等服务 在客服端，点击按钮，显示基本信息 客服端显示机器人的视频和相关信息 客服端通过点击按钮完成对机器人和 led 控制 机器人或 led 执行命令且返回 点击退出按钮结束 ARM9 平台 嵌入式 Linux+Web 语音模块 WiFi 模块 无线通讯模块 烟雾模块 红外线模 块 SD 卡模块 触摸屏模块 电机控制 模块 云台摄像模块 GPRS 模块 15 信息科 学与技术学院学士学位论文 控制客服端操作界面主要的文件是 ，这个函数里面主要用到的结构体就是 cgimand 结构体 [7]。 typedef struct cgi_mand { nv_set *pdata。 //传送过来的数据指针主要是指网页传过来的数据 int count。 //cgi 传功来的数据一共有多少段 int led。 //这个 cgi 密令是要控制那个 LED int states。 //需要控制的状态是什么电灯 int robot。 //对机器人控制的命令 }mand。 上面的结构体就是主要的结构体，其中 pdata 就是获取网页传送过 来的数据，比如当我们在网页中点击机器人向前走的按钮，那么 *pdada 的值就是“ w“ ,然后就是向管道写入向前走的命令，在管道的一端是一直在后台运行读取的命令，当我们写入命令的时候，管道的另一端就是读取我们写入的值，然后就是响应的操作。 其中对机器人的控制主要有下面几个操作： w 表示向前走； a 表示向左走； x 表示向后走； d 表示向右走； s 表示停止； q 表示左旋转； e 表示右旋转； z 摄像头抬头； c 摄像头低头。 这些就是代表机器人的动作，这样动作就可以帮助我 们拍摄出来不同角度的视频的图片。 在 中主要的操作函数是： 16 信息科 学与技术学院学士学位论文 int get_input()； //这个函数用来获得 cgi 数据并解析后放到 nv 数组中 int cmd_init(mand *cmd)； //将获得的数据处理后填充 cmd 结构体 int led_control(mand *cmd)； //将 cmd 结构体转化为具体的控制动作 int robot_control(mand *cmd)； //根据获取的信息来对机器人发送不同的命令 我们按照先获取 cgi 数据，然后填充 cmd 结构体，然后调用 led_control 函数和 robot_control 函数这样就可以实现对 led 灯、机器人的控制了。 17 信息科 学与技术学院学士学位论文 4 系统详细设计与实现 boa 服务器的搭建 boa 服务器介绍 我们通过设计 WEB 服务器，使用户能通过浏览器访问设备上的 Web 服务器来远程控制现场设备。 嵌入式 Linux 下，系统资源是非常有限的 [8]，因此我们选择 Web。