基于arm技术的远程机器人控制通信系统设计本科学位论文.doc

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 I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；LinuxABSTRACT Along with the development of the modern information technology, remote robot plays a more and more important role in real life and scientific research. And for the remote robot, a safe and reliable protocol of control and communication, was one of the important factors which is to ensure that the remote robot can be operated normally and safety. Based on the ARM hardware platform and embedded Linux operating system, a remote robot control system which can operate by remote control in the wireless network is designed. The paper first elaborates the design of the software and hardware system of robot and hand-held terminal control software, focusing on this design proposed and designed a new control and communication system based on TCP network transmission agreement, enhance the way of security in the remote control .KEY WORDS Robot; Control; Communication; Linux目 录1 前 言 11.1 研究背景和意义 11.2 机器人发展历史 11.3 当前国内外研究动态 21.4 本论文的主要研究内容 32 机器人总体设计 42.1 嵌入式系统概述 42.2 ARM微处理器 42.2.1 ARM微处理器概述 42.2.2 ARM微处理器的特点 52.2.3 ARM微处理器系列 52.3 嵌入式操作系统 52.3.1 嵌入式系统软件结构体系 52.3.2 嵌入式操作系统简介 62.3.3 嵌入式Linux操作系统简介 62.4 机器人总体设计方案 63 机器人嵌入式硬件平台设计 83.1 嵌入式系统硬件结构 83.2 三星S3C2440A微处理器 93.3 Mini2440开发板 93.4 机器人嵌入式硬件系统设计方案 103.4.1 机器人嵌入式硬件系统设计总述 103.4.2 传感器系统电路设计 113.4.3 动力系统电路设计 123.4.4 无线通信系统电路设计 124 机器人嵌入式系统平台搭建 144.1 构建交叉编译工具链 144.1.1 交叉编译工具链简介 144.1.2 用Crosstool-ng构建交叉编译工具链 144.2 Bootloader移植 154.2.1 Bootloader简介 154.2.2 Uboot移植 154.3 Linux Kernel移植 174.3.1 获取内核源码 174.3.2 配置内核 174.3.3 编译 184.4 文件系统构建 194.4.1 Yaffs2文件系统简介 194.4.2 Yaffs2文件系统移植 195 机器人嵌入式中控系统软件和手持控制终端软件设计 205.1 机器人中控系统软件设计 205.1.1 机器人中控系统软件设计总述 205.1.2 机器人中控系统软件整体程序设计 205.1.3 传感器驱动软件模块设计 215.1.3.1 USB摄像头驱动和图像采集功能实现 215.1.3.2 GPS数据采集 225.1.3.3 电子罗盘数据采集 225.1.4 机器人运动控制模块设计 225.1.5 机器人网络通信模块设计 235.1.5.1 TCP协议简介 235.1.5.2 Socket编程简介 235.1.5.3 机器人网络编程模块程序设计 245.2 机器人手持控制终端软件设计 255.2.1 机器人手持控制终端软件设计总述 255.2.2 机器人手持控制终端软件设计程序整体设计 255.2.3 基于QT for Android的UI模块设计 265.2.4 控制通信模块设计 276 机器人控制通信系统协议及其实现分析 286.1 机器人控制通信系统总述 286.2 机器人控制通信系统通信机制 296.2.1 网络通信线程 296.2.2 消息包定义 296.2.3 数据封包和解包机制 296.2.4 消息包序列化机制 306.2.5 登陆和退出机制 306.2.6 通信应答机制 316.2.7 数据加密机制 316.2.8 心跳检测机制 326.3 机器人控制通信系统控制机制 336.3.1 消息注册机制 336.3.2 消息接收机制 346.3.3 消息派发机制 347 系统分析和总结 367.1 系统分析 367.1.1 系统分析方法简述 367.1.2 压力通信测试 367.1.3 断网测试 367.2 测试结论 378 总 结 38参考文献 40附 录 41致 谢 421 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“MOVE AND PLAY”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。