嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人視覺中的應(yīng)用

    編者語：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、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�，F(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