采用PC_104的排爆机器人嵌入式控制系统实现

采用PC/104的排爆机器人嵌入式控制系统实现*钟国梁,蒋梁中(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640)摘要:机器人控制系统是非线性多变量的控制系统,这对系统的开发提出了更多、更复杂的问题,增加了机器人控制系统的开发难度。

介绍一种基于PC/104计算机机器人控制系统的硬件设计与实现,W i ndo w s CE操作系统的移植,生成可运行于X86的嵌入式控制系统,运行结果表明,该方案效果良好,机器人运动平稳,系统具有很好的鲁棒性和实时性。

关键词:排爆机器人;PC/104计算机;W i ndow s CE操作系统;操作系统移植中图分类号:TP39119文献标识码:A文章编号:1671)3133(2010)04)0119)04R eali zati on of EOD robot e m bedded control syste m based on PC/104Z HONG Guo-liang,JI A NG L i a ng-zhong(Co llege ofM echanical and Auto m oti v e Eng ineeri n g,South Ch i n aU niversity o fTechno logy,Guang zhou510640,China)Abstrac t:R obo t contro l system is non-li near mu lti va riab l e control system s,w hich propose for sy stem p s deve l op m ent a m ore com-p l ex proble m and m ake the robot contro l syste m p s deve l op m ent diffi culty.Introduces a robo t con tro l syste m based on PC/104,i n-c l udi ng hard w are des i gn and i m ple m entati on,W i ndow s CE system po rti ng and co m pil ed i nto a rea-l ti m e syste m running on X86 computer.A pp lica ti on res u lts de m onstrate tha t th i s m ethod m akes good effect:t he robot runs p l ac i d l y,and t he syste m is much ro-bust and rea-l ti m e.K ey word s:explosi ve o rdnance disposa l robots;PC/104;W i ndow s CE;operati ng syste m po rti ng0引言排爆机器人是指代替人到不能去或不适宜去的有爆炸危险等环境中,直接在事发现场进行侦察、排除和处理爆炸物及其他危险品,也可对一些持枪、持械的恐怖分子实施有效攻击的机器人[1]。

它是近年来新兴的机器人学研究的一个新领域,特别是自/9110恐怖袭击事件以来,国内外的一些大公司、大学及科研院所,如美国的R e m o tec公司,i R obot公司,英国的P1W1A llen公司,ABP公司,德国的Te lerob公司,加拿大的Pedsco公司,中科院沈阳自动化研究所,北京航空航天大学,上海交通大学和华南理工大学等,都先后在从事相关系统和技术的研究,并取得了卓有成效的进展。

据联合国调查报告中预计,到2012年底,全球投入使用的排爆机器人将增加到550万台[2]。

与工业机器人注重精密性和高效性相比,排爆机器人更重视实时性和安全可靠性。

排爆机器人的主要功能是执行危险场所观察、爆炸物排查,以及爆炸物的销毁等任务,能在一个复杂的环境中巡视、观察室内环境的变化和发现爆炸物,并及时把探测到的信息用无线或网络的方法通知安全部门,通过无线网络及应用软件,工作人员可以远离危险场所实现对排爆机器人的完全控制。

排爆机器人主要由人机交互与运动控制模块、无线传输模块和图像处理模块三部分组成。

1机器人控制系统结构为提高机器人控制的实时性,将机器人的运动学运算从主控计算机的控制程序中移出,由机器人车载嵌入式计算机PC/104完成,主控机将目标物体基于机器人根坐标系的三维坐标通过无线串口通信传给车载机,车载机定时发送机器人状态数据给主控计算机,因而有利于机器人运动轨迹的规划。

为保证通信的稳定可靠,系统中采用M odbus通信协议。

机器人的运动主要是关节的旋转运动。

机器人伺服控制系统的结构如图1所示,从控制直流电动机119*广东省科技计划基金项目(2004A10403006);华南理工大学高水平大学建设重点项目(B01-D7041010)结构模型上看,机器人有八路直流电动机控制,包括两路机器人小车的直流伺服电动机反馈控制,四路机械臂(腰、大臂、小臂、仰伏手腕)的直流伺服电动机反馈控制,以及两路机器人手爪的直流电动机控制(一路用于旋转手腕,一路用于手爪)。

上、下位机通过数传电台无线通讯装置实现数据信息传输。

现场主控计算机(上位机)给下位机发送控制指令,下位机给上位机机器人控制系统的状态信息等等。

图1 机器人伺服控制系统的结构2 运动控制器硬件设计211 系统总体硬件结构控制系统硬件采用的是盛博科技公司(SBS)的嵌入式PC /104计算机和ADT /652扩展卡。

SC M /SPTb (PC /104)是一款/al-l i n -one 0CP U 模块,具有丰富的通用外部接口,集成了10/100Base -T 以太网接口及高性能图形处理器,同时支持PS /2键盘、PS /2鼠标、I DE 接口、Floppy 接口、两串一并接口、USB 以及W atch -dog 。

板上提供CF 接口卡,可以方便地在CF 卡上安装用户熟悉的操作系统和软件,极大地缩短了软件开发周期。

采用SC M /SPTb 主板作为机器人运动控制器以及整个机器人本体的核心,通过堆栈式PC /104总线易于扩展各种功能控制模块,如运动控制模块、CCD 视频采集模块和无线数据传输模块等。

Sys Expan M odu le /ADT /652作为运动控制扩展接口卡的核心,是基于PC /104的扩展板,其主要功能是数据采集。

通过PC /104总线可将其与PC /104嵌入式系统构成一个高性能的数据采集与控制系统,可减少外围器件,简化系统结构,适用于结构紧凑、高可靠的嵌入式应用。

为了能够满足多电动机的协调控制需求,同时兼顾机器人对控制器体积、重量等的敏感特性,选择了基于PC /104与ADT /652的嵌入式可重构设计方案[3]。

整个运动控制系统以直流伺服电动机作为控制对象,PC /104嵌入式计算机作为主控制器,以ADT /652作为接口卡的核心器件,接口电路还包括总线驱动器74H C244、光耦、MC1413单元(驱动数字信号)和双运算放大电路(驱动模拟信号)等。

通过机器人双目视觉系统向直流电动机驱动器(型号为A ccelus)发送启/停、刹车、方向和速度信号,同时接收并传递电动机行程光电编码器信号,准确地控制机器人的行走与越障。

运动控制器的硬件结构如图2所示。

图2 运动控制器硬件结构该运动控制系统还可以接收并识别摇杆手动控制器的输入信号,使电动机快速运行与换向,从而实现机器人摇控操作。

同时,设计的电路板满足PC /104对小尺寸的要求。

212 直流电动机行走速度控制Acce l u s 直流电动机驱动器提供了接收启/停、刹车、方向和速度信号的标准接口,传统的电动机速度调节多采用直接控制模拟量输出的方法,利用D /A 转换芯片,把数字电压信号转换成模拟电压信号,成本较高,同时,增加了ADT /652的I/O 接口复杂性。

而本系统运用简单的直流电动机电压调速的原理,采用分级调速,控制方式简洁、有效,且降低了成本。

调速系统主要包括ADT /652、模拟开关和双运算放大器。

首先,ADT /652在CP U 的控制下仅需输出两位数字控制信号,经过74HC244驱动和光电隔离后作为CD4051模拟开关的A 、B 控制端输入,+5V 的电压由电阻器分压成八路不同的电压作为CD4051的数据端输入,选通的模拟量经过TL062双运算放大器驱动之后,作为直流电动机驱动器的速度信号,从而调节机器人的行走速度。

3 系统软件移植作为排爆机器人控制器,首先要保证系统的实时120性,因此系统软件采用W i n do w s CE实时操作系统[4]。

该操作系统需要进行移植,才能在硬件平台上运行。

操作系统移植前有一项必须完成的工作是实现一个Boo tl o ader,它类似于PC上的基本输入输出系统B I O S,其功能是硬件初始化,下载并执行操作系统软件。

要实现W i n do w s CE在PC/104平台上的移植,从移植原理上分析,主要是处理好多任务的上下文切换以及在中断服务程序中的任务切换。

从实现技术上分析,主要是设置PC/104上的ATD/652扩展卡的中断控制器和定时器[5,6]。

根据W i n dow s CE的体系结构特点,在移植过程中,需将最底层与处理器相关的代码针对ATD/652的编程结构做相应改动,编写相关的流接口函数,使其完成系统时钟设置、中断管理和任务切换功能。

最后定制出内核并下载到PC/104计算机上。

在W i n do w s CE中,OS操作系统在创建时为每个任务建立并初始化一个堆栈。

当发生中断和任务切换时,把当前任务运行现场保存起来。

当每个任务需要从就绪状态激活到运行状态时,OS又需将所有寄存器从堆栈中弹出。

这样,每个任务分时占用CP U。

而对各个任务来说,每次进入运行状态时,CP U状态都与上次从运行状态退出时完全一样。

因此,在W in-do w s CE的移植过程中,能够正确创建、初始化、保存并恢复各个任务的堆栈,是确保W i n do w s CE任务切换和中断管理顺利完成的关键。

311W i n do w s CE外部中断初始化及中断服务程序的编写首先必须完成CPU的I/O接口和中断的初始化工作,然后再编写中断处理程序。

具体分为四个步骤[7]。

第一步:初始化I/O接口。

在Port_Init()函数中,将光电编码器的A、B两相初始化为下降沿触发的中断。

第二步:添加中断号。

在oa lint r1h文件中添加光电编码器中断向量的宏定义。

代码为:#defi ne SYS I NTR_OED(SYS I NTR_FIR MWARE+20)第三步:添加中断的初始化、禁止和复位等函数,分别在OE M I n terrupt E nable()、OE M I nterrupt D isable()和OE M I nterr upt D one()等函数中加入相关代码。