目前，便攜式移動機(jī)器人全自主控制方式尚不成熟，其監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用人在環(huán)半自主控制方式設(shè)計(jì)。為滿足攜帶、系統(tǒng)小型化、嵌入式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故設(shè)計(jì)便攜式移動機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺。  

功能設(shè)計(jì)  
手持監(jiān)控系統(tǒng)對便攜式移動機(jī)器人起到監(jiān)視與控制的全局性作用。手持監(jiān)控系統(tǒng)可劃分為視頻圖像監(jiān)視模塊、狀態(tài)信息監(jiān)測模塊、遙控指令模塊、無線通信模塊、數(shù)字地圖交互模塊、全局路徑規(guī)劃模塊六大功能模塊（見圖1）。  


  
  
視頻圖像監(jiān)視模塊對便攜式移動機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)視；狀態(tài)信息監(jiān)測模塊對機(jī)器人自身狀態(tài)信息的監(jiān)測；遙控指令模塊實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動指令編碼以及發(fā)送；無線通信模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動指令、狀態(tài)信息、視頻信號等數(shù)據(jù)的無線傳輸；數(shù)字地圖交互模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境地理信息的數(shù)字化顯示及人機(jī)交互功能；全局路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的最優(yōu)路徑搜索功能。  

硬件系統(tǒng)  

手持監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)可劃分為若干模塊，各個模塊實(shí)現(xiàn)自身相對獨(dú)立的功能。  

硬件結(jié)構(gòu)與接口  

手持監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)采用基于嵌入式系統(tǒng)的PCI 總線的PC/104plus 總線結(jié)構(gòu)，分為無線通信、嵌入式圖像采集、中央處理、遙控器、液晶顯示等五大模塊。無線通信模塊又劃分為無線數(shù)據(jù)傳輸和無線視頻傳輸模塊。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動指令、狀態(tài)信息等窄帶數(shù)據(jù)無線傳輸；無線視頻傳輸模塊實(shí)現(xiàn)視頻圖像信號等寬帶數(shù)據(jù)無線傳輸。  

硬件系統(tǒng)各模塊通過接口實(shí)現(xiàn)信息交換與數(shù)據(jù)共享。中央處理模塊通過PC/104plus 總線與嵌入式圖像采集模塊接口，實(shí)現(xiàn)模塊之間視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸。中央處理模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及遙控器模塊通過串口連接。中央處理模塊通過TTL 接口與液晶顯示模塊連接。嵌入式圖像采集模塊與無線視頻傳輸模塊通過RCA 接口實(shí)現(xiàn)復(fù)合視頻信號的傳輸（見圖2）。    

 
  
硬件模塊實(shí)現(xiàn)  

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用微功率無線數(shù)據(jù)傳送單元實(shí)現(xiàn)。嵌入式圖像采集模塊采用PC/104plus總線結(jié)構(gòu)的嵌入式圖像采集卡實(shí)現(xiàn)。中央處理模塊采用PC/104plus 總線結(jié)構(gòu)的單板機(jī)實(shí)現(xiàn)。遙控器模塊通過自行設(shè)計(jì)電路板實(shí)現(xiàn)按鍵掃描、指令編碼以及串口發(fā)送等功能。液晶顯示模塊采用小型彩色液晶屏實(shí)現(xiàn)。以上各硬件模塊實(shí)現(xiàn)符合手持設(shè)備小型化、便攜式的硬件要求。  

軟件系統(tǒng)  

手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)選用Windows CE（WinCE）作為嵌入式操作系統(tǒng)平臺，監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括：操作系統(tǒng)定制、設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、應(yīng)用程序。應(yīng)用程序又分為：鍵盤掃描模塊、串口通信模塊、視頻處理模塊、數(shù)字地圖模塊、路徑規(guī)劃模塊五大模塊（見圖3）。  


  
操作系統(tǒng)定制  

操作系統(tǒng)定制主要根據(jù)系統(tǒng)需要建立操作系統(tǒng)平臺并對其進(jìn)行相應(yīng)的配置。通過平臺裁剪工具Platform Builder（簡稱PB）完成。  

設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)  

WinCE的驅(qū)動程序分為：本機(jī)設(shè)備驅(qū)動程序和流接口驅(qū)動程序[5]。本機(jī)設(shè)備是指集成到目標(biāo)平臺的設(shè)備，其驅(qū)動程序由原設(shè)備制造商（OEM）提供。流接口驅(qū)動程序是指連接到WinCE平臺的外部設(shè)備驅(qū)動程序，由用戶自行開發(fā)。流接口驅(qū)動程序把外部設(shè)備看作文件系統(tǒng)的特殊文件，通過文件讀取函數(shù)間接地訪問外部設(shè)備。  

嵌入式圖像采集卡驅(qū)動程序分為三部分：  

(1) 內(nèi)核部分  
實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)例程（ISR）。內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)了物理中斷號與邏輯中斷標(biāo)識之間的映射關(guān)系，并調(diào)用中斷服務(wù)例程，中斷服務(wù)例程在中斷發(fā)生后向內(nèi)核返回中斷邏輯標(biāo)識。  

(2) 驅(qū)動程序部分  
實(shí)現(xiàn)WinCE 流接口驅(qū)動模型所需要的文件操作接口函數(shù)，包括：采集卡初始化、數(shù)據(jù)讀取和采集卡句柄關(guān)閉。  

(3) 應(yīng)用程序部分  
通過調(diào)用設(shè)備注冊函數(shù)將嵌入式圖像采集卡中斷驅(qū)動程序加載到系統(tǒng)內(nèi)存，并根據(jù)采集卡初始化參數(shù)設(shè)置修改WinCE 系統(tǒng)注冊表文件。  

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)  

鍵盤掃描模塊及串口通信模塊單片機(jī)程序在單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境uVision2 下用C 語言開發(fā)外，其余模塊均在EVC（Windows CE Embedded VisualC++）下開發(fā)。  

(1) 鍵盤掃描模塊  
鍵盤掃描模塊主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對薄膜鍵盤的按鍵識別及鍵值顯示功能。薄膜鍵盤屬于行列式非編碼鍵盤，按鍵的識別通常采用逐行掃描查詢法實(shí)現(xiàn)。程序采用軟件延時(shí)的方法處理抖動。鍵值顯示則通過單片機(jī)對液晶屏串行數(shù)據(jù)口編程實(shí)現(xiàn)。  

(2) 串口通信模塊  
串口通信模塊主要實(shí)現(xiàn)單板機(jī)與單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)通信功能。該模塊包括單板機(jī)串口通信程序、單片機(jī)串口通信程序、串口通信協(xié)議三部分。  

① 單板機(jī)串口通信程序。由于WinCE 不支持串口通信控件的使用，所以EVC 下的單板機(jī)串口通信程序開發(fā)只能通過調(diào)用文件操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)。  
② 單片機(jī)串口通信程序。單片機(jī)串口通信程序設(shè)計(jì)必須根據(jù)通信雙方約定設(shè)置串口工作方式及串口通信波特率。  
③ 串口通信協(xié)議。串口數(shù)據(jù)包括：雙向通信測試數(shù)據(jù)、下行指令數(shù)據(jù)、上行傳感數(shù)據(jù)，而傳感數(shù)據(jù)又劃分為：速度、加速度、位置、傾角等狀態(tài)信息。為了在串口通信中正確分離和識別各種數(shù)據(jù)，通過對各種數(shù)據(jù)添加相應(yīng)標(biāo)志字節(jié)的方法編制串口通信協(xié)議。  

(3) 視頻處理模塊  

視頻處理模塊通過在EVC 下調(diào)用嵌入式圖像采集卡驅(qū)動函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻顯示與視頻控制功能。視頻顯示作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口嵌入到軟件系統(tǒng)用戶界面。視頻顯示主要實(shí)現(xiàn)便攜式移動機(jī)器人平臺所處環(huán)境信息的實(shí)時(shí)視頻顯示與更新。視頻控制主要實(shí)現(xiàn)對視頻采集過程的控制，其中包括：視頻采集窗口尺寸設(shè)置、視頻源制式設(shè)置、視頻數(shù)據(jù)格式選擇及視頻數(shù)據(jù)存儲等。  

WinCE 不支持任何視頻加速驅(qū)動程序和底層函數(shù)，所以無法直接調(diào)用DirectX 函數(shù)，則WinCE設(shè)備上動態(tài)視頻的顯示與回放，必須開發(fā)新的設(shè)備無關(guān)位圖（DIB）快速顯示函數(shù)。采用從DGdiObject類派生的方法，使用CreateDIBSection 函數(shù)創(chuàng)建DIB 位圖，可以直接使用圖形設(shè)備接口（GDI）函數(shù)來操作DIB 位圖，以有效提高位圖顯示速度。  

(4) 數(shù)字地圖模塊  

數(shù)字地圖是地理信息系統(tǒng)（GIS）中的概念。數(shù)字地圖模塊實(shí)現(xiàn)便攜式移動機(jī)器人平臺所處地理環(huán)境信息的數(shù)字化顯示，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對數(shù)字地圖放大、縮小、漫游、查找等交互操作功能。  

數(shù)字地圖模塊通過在EVC 下嵌入MapXMobile 組件實(shí)現(xiàn)，并最終作為監(jiān)控系統(tǒng)子窗口集成到軟件系統(tǒng)用戶界面。MapX Mobile 是基于對象鏈接嵌入（OLE）技術(shù)的ActiveX 控件，在EVC 下設(shè)置該控件的屬性、方法及響應(yīng)事件即可實(shí)現(xiàn)地圖顯示與操作功能。  

應(yīng)用程序通過MapX Mobile 組件實(shí)現(xiàn)地圖顯示與操作，同時(shí)管理地圖數(shù)據(jù)文件。并可以單獨(dú)在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，也能和WinCE 操作系統(tǒng)兼容。MapX Mobile 允許用戶把地圖數(shù)據(jù)帶到自身所在的任何位置，實(shí)現(xiàn)了移動的GIS 組件。  

(5) 路徑規(guī)劃模塊  

路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字地圖的點(diǎn)到點(diǎn)全局路徑規(guī)劃功能。該模塊是在數(shù)字地圖模塊查找交互操作功能的基礎(chǔ)上運(yùn)用迪杰斯特拉（Dijkstra）算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑搜索。操作者在數(shù)字地圖上選取起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，程序通過Dijkstra 算法搜索得出兩點(diǎn)之間可以通行的最優(yōu)路徑，并在數(shù)字地圖上標(biāo)識該最優(yōu)路徑。  

Dijkstra 算法是解決最短路徑問題的理論基礎(chǔ)。該算法適合于計(jì)算帶權(quán)有向圖中兩節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑。將數(shù)字地圖上的道路和地點(diǎn)抽象為有向圖的邊與節(jié)點(diǎn)，道路的長度作為有向圖邊的權(quán)值，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖到帶權(quán)有向圖的抽象（見圖4）。    

 
  
Dijkstra 算法步驟：  

Step1：設(shè)集合S存放已求出最短路徑的終節(jié)點(diǎn)，初始狀態(tài)時(shí)，S集合只有源節(jié)點(diǎn)v0，即S＝{v0}。  
Step2：令k＝1，對于節(jié)點(diǎn)vk，計(jì)算v0到vk的距離  

代價(jià)函數(shù)：    


  
Length(k)是v0和vk之間可達(dá)連接權(quán)值之和，如果v0和vk之間不可達(dá)，則距離代價(jià)函數(shù)值無窮大。  
Step3：取dist[k]值最小的節(jié)點(diǎn)序列保存在path[k]中，并添加vk到集合S中，即S＝{v0,vk}。且令k＝k+1。  
Step4：若vk即為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則算法結(jié)束；否則，跳轉(zhuǎn)至Step2。  
則path[k]中即為源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)之間的最短路徑序列，最小dist[k]值即為源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑距離。  

設(shè)計(jì)實(shí)例  

 
  
該手持監(jiān)控系統(tǒng)已應(yīng)用到履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺。在室外實(shí)驗(yàn)場地測試取得較好的效果，測試過程中軟件系統(tǒng)用戶界面如圖5。用戶界面分為三部分：機(jī)器人自身狀態(tài)信息顯示、視頻圖像數(shù)據(jù)顯示、數(shù)字地圖顯示。  

結(jié)論  

便攜式移動機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)在履帶結(jié)構(gòu)便攜式移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺上通過測試。嵌入式硬件結(jié)構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng)的引入符合移動智能終端設(shè)備體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的設(shè)計(jì)要求。