摘 要: 依據現代機器人技術的發展特點，提出了一種基于ARM（Advanced RISC Microprocessor）、DSP和arm-linux的嵌入式機器人控制系統的設計方法，介紹了嵌入式系統，給出了功能設計、結構設計、硬件設計、軟件設計的控制系統的設計過程，并分別從上述各方面對控制系統的通用性進行了探討。層次化的體系結構、模塊化的硬件、結構化的軟件使得設計出的機器人控制系統經過簡單的硬件調整和軟件定制，就能適用于多種機器人。通過七自由度串聯機器人抓取工件的實例驗證，該機器人控制系統性能穩定、具有一定的通用性。 關鍵詞: 嵌入式系統，控制系統，ARM，機器人 1 前言 　　隨著科學技術的發展，機器人將在太空探測、救災防爆、海洋開發等領域有著廣闊的應用前景，因而其發展正在成為國內外研究人員關注的焦點[1,2,3]。分析上述各種用途的機器人，其構成不外乎機構本題和控制系統兩大部分。機構本體在體現機器人特色的同時，也決定了其必然是無人系統，在惡劣的環境下，機器人要具備一定的自主能力。這就要求機器人有一定的“判斷能力”和“想法”，需要復雜的算法，包括運動算法和模式識別算法。一般的微處理器是無法完成這項任務，而上述各種機器人又無法使用計算機控制作業，32位微處理器和嵌入式操作系統的出現解決了此問題。 　　嵌入式系統是指以應用為核心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪，以及適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統[4,5,6,7]。作為嵌入式系統的核心，嵌入式微處理器為8位、16位或32微處理器。但由于8位和16位微處理器的運行速度、尋址能力和功耗等問題，已較難滿足相對復雜的嵌入式應用場合。在32位嵌入式應用領域內，ARM（Advanced RISC Machine）獲得了巨大的成功[8,9,10,11]。ARM微處理器一般具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點;例如，由于它有大量的使用寄存器，指令執行速度更快，于是大多數數據操作都在寄存器中完成;它的尋址方式靈活簡單，執行效率高，指令長度固定等。在ARM中，可以嵌入嵌入式操作系統，在此系統上可完成復雜的算法，可以代替PC機完成各種任務。 　　本文首先介紹了嵌入式系統的結構，然后介紹如何利用嵌入式操作系統和ARM 、DSP構建機器人控制系統，最后說明使用此控制系統控制7自由度串聯機器人[12]。 2 嵌入式系統的結構 　　嵌入式系統主要由嵌入式操作系統和承載操作系統的硬件組成。 　　2.1 嵌入式操作系統 　　嵌入式操作系統是嵌入式系統的控制中心，主要用于對系統的信息處理部件和用戶交互界面加以控制。 　　2.1.1嵌入式操作系統的實時性 　　在嵌入式領域中，實時是一個非常重要的概念。實時系統是指在確定的時間內完成規定功能，并能對外部異步事件作出正確響應的計算機系統。 　　實時系統的核心是必須在確定的時間內執行完一項預先定義的操作，否則將引起性能下降甚至系統崩潰等嚴重后果。需要說明的是，實時系統并不是說系統的響應和處理速度非常快，實時系統的實時性的實現需要軟硬件的配合來完成。首先應該保證硬件的處理速度滿足實時性的要求，同時相對軟件而言，實時性體現在組成軟件系統的各個任務的執行時限。 　　在嵌入式系統中，評價一個實時系統的性能要從任務調度功能、內存管理功能、最小內存開銷、任務切換時間、最大中斷禁止時間等方面考慮。 　　2.1.2 嵌入式系統中的軟件 　　嵌入式系統的軟件部分，具有以下特點： 　　1） 嵌入式軟件的開發與硬件緊密相關。由于嵌入式軟件的開發式針對具體硬件平臺進行的，它往往牽涉硬件驅動方面的一些軟硬結合部分。 　　2） 軟件代碼要求高效率和高可靠性。嵌入式系統中軟件運行空間有限，內存空間非常寶貴，在軟件的編程過程中需時刻考慮軟件的運行效率。在實時系統中，處理器必須嚴格處理異步發生的各種任務。此外，嵌入式軟件系統還應有異常處理、快速復位等特點。 　　3） 軟件一般固化在FLASH或ROM中。為了提高執行速度和系統的可靠性，同時縮短系統復位時間，一般在嵌入式軟件調試完畢后，會下載固化到目標板中的FLASH或ROM中。 　　2.1.3 嵌入式系統的應用 　　嵌入式系統產品遍布人們的日常生活，從手機、PDA到家中的空調、冰箱，從小汽車到波音飛機，甚至武器庫中的巡航導彈，都有它的蹤跡。嵌入式產品已經在很多領域得到廣泛的使用，如國防、工業控制、通信、辦公自動化和消費電子領域等。 　　2.2 嵌入式系統的硬件系統 　　與普通的PC硬件相比，嵌入式系統的硬件系統具有以下特性： 　　1） 體積小，集成效率高。嵌入式系統去除了冗余，力爭用最小的系統完成目標功能。 　　2） 面向特定應用。 　　3） 低功耗，電磁兼容性好，能在惡劣環境下工作，死機時能夠快速重啟。 　　嵌入式系統硬件在價格、功能、體積、重量、能耗等方面都有嚴格的限制。 3 系統功能與設計 　　3.1 系統功能 　　本著既能滿足多種類型機器人的實際需 要，又盡量節約資源的原則，控制系統提供的功能如下： 　　1） 上位機監控.響應控制臺發出的指令. 向下位機發送數據和命令; 　　2） 通訊總線. 現場總線，用于和其他控制器信息交互; 　　3） 傳感器集成.直接集成姿態、位置、深度、高度、速度、加速度等傳感器，或者預留接口; 　　4） 脈寬調制.用于調整電機的速度和位置，從而控制機器人的速度和姿態等; 　　5） A/D采集.監視工作電壓、電流、壓力等A/D量，用于系統控制或狀態記錄; 　　6） I/O控制.用于對外圍開關量的監控; 　　7） 數據記錄.用于設定參數的存儲、運動路線的定制或相關監控數據的記錄; 　　8） 通訊協議.便于控制器之間及機器人與上位機之間信息可靠、高效傳遞; 　　9） 信息處理.各種傳感器輸出數據的提取、處理及多傳感器信息融合; 　　10） 控制算法.下位計算法主要是前饋算法和PID算法，上位機算法視具體的機器人而定。 　　3.2 系統設計 　　此系統的設計主要是為了能夠滿足多種機器人控制需求，同時兼顧機器人對控制器體積、重量、功耗等敏感的特性。 　　上位機CPU選用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（適用于實時環境）的低功耗、16/32 bit、高性能RISC微控制器S3C2410，它的主頻為266MHz;操作系統選用源碼公開、專為ARM設計的、可靠性高的實時、多任務內核arm-Linux;下位機選用Ti公司的具有低功耗、靈活指令集、內部操作靈活、高速的運算能力等性能的DSP-TMS320LF2407。 　　3.2.1 體系結構 　　基于ARM、DSP和arm-Linux的機器人控制系統硬件結構圖如圖1所示。 　　上位機主要解決算法問題，處理各個傳感器送回的信號，根據各個信號，向下位機發送控制命令，同時，上位機接收來自下位機的信號，判斷下位機的狀態，以便發送相應的數據和命令。下位機主要是對電機的控制，根據上位機發送過來的命令和數據，結合前饋算法和PID算法，對電機進行速度、位置等控制。 　　不同類型的機器人，其主要區別在于上位機的算法編寫，上位機的算法與具體的機器人所要求完成的任務有關。在一個機器人系統中，只需一個上位機，作為機器人的“大腦”;下位機的個數則根據機器人需要而定。 　　3.2.2 硬件設計 　　硬件設計的原則是：部件模塊化，接口標準化，互換性、擴展性好，可靠性高。 　　硬件可劃分為CPU模塊、外設模塊。兩個模塊層可疊在一起，機械上可拆分，相互之間有接口相連，便于互換和維護。 　　1）CPU模塊：上位機包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系統運行的基本要素;下位機包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系統運行的基本要素。 　　2）外設模塊：上位機包括電源接口、485總線接口、A/D接口、I/O接口、PWM接口、下位機通訊接口、USB HOST接口、USB SLAVE 接口、LCD接口等，同時它也是傳感器模塊和CPU模塊連接的橋梁;下位機包括電源接口、485總線接口、I/O接口、PWM接口、光電編碼器接口、上位機通訊接口、A/D接口，FLASH等。 　　S3C2410芯片本身集成了一些通用的外圍器件，所以像A/D、USB、I/O等通道直接利用其資源。片內的2個UART分別用作485總線及與下位機通訊接口，這兩個串口屬于對外連接口，為了避免引入外界干擾，用高速光隔HCPL2630進行隔離。 TMS320LF2407芯片本身也集成了一些通用的外圍器件，可直接利用PWM、A/D、I/O、光電編碼器接口等資源。片內UART用作與上位機通訊接口，也用了光電隔離。 　　針對不同的機器人，硬件部分只需做簡單的接口調整或傳感器增刪。 　　控制器集成尺寸：上位機模塊為60mm×45mm×35mm，總功耗約為5V ×200mA，其中CPU模塊功耗盡為3.3V×30mA;下位機模塊尺寸60mm×40mm×30mm，功耗也是很低的，而一般的PC104總線CPU模塊功耗約為5V×1000mA。 　　3.2.3 軟件設計 　　軟件設計的基本原則是：軟件結構化，驅動標準化，系統可定制[13]。 　　軟件設計的主要工作是操作系統的移植、驅動程序的設計、常用API函數的封裝、多任務的分解與設計、上位機算法的編寫和下位機驅動程序與算法的編寫等。其中關鍵在于上下位機的同步性，當多個控制器一起工作時，同步問題更加重要了。上位機把數據傳送給下位機，先把控制器的標號給傳下去，只有與此號碼相對應模塊才能接收下面的數據，當下位機接收到信號后，需要向上位機發送一個確認信號。需要同步多個處理器，分別占用總線。為了使多機通訊同步，不發生信號沖突，在設計硬件時，每個微處理器使用了一個I/O口，并把每個處理器的I/O口用線連在一起。當一個控制器接收或發送數據時，向其它處理器發送一個高信號，來說明自己正在使用總線。接受到該信號的處理器得知總線正在忙，不再發送數據，可避免總線沖突。事實證明這種方法是可行的，不會發生總線沖突，多處理器工作時同步性很好。 　　本軟件中傳感器數據的讀取、校驗、提取、處理均按照NMEA0183標準進行，便于系統升級。 　　系統可定制主要是考慮到針對不同機器人其上層軟件不盡相同。 4 實驗研究 　　應用于7自由度串聯機器人 　　為了驗證該機器人控制系統的性能，設計了場景試驗：7自由度串聯機器人首先抓取第一工件放在加工臺上;把其它兩個工件依次前移;最后把加工完的工件放在最后的位置上，整個過程如圖6～圖9所示。 [align=center] [/align] 　　機器人完成這個任務所要經過的過程：①機器人抓取第一個工件，并把它放在加工臺上，如圖2～圖3所示;②機器人把第2個工件移到第一個位置，準備進行加工，如圖4～圖5所示;③把第三個工件移到第二個位置上，圖6～圖7所示;④機器人抓取加工好的工件，并把它放在第三個位置上，如圖8～圖9所示。 　　這樣一個循環周期便完成了一個工件的加工，可使后面的工件依次得到加工。 　　在該控制系統內，上位機（S3C2410）首次算好1000個點，通過RS485總線傳送給每個下位機控制器并把這些點存于下位機FLASH中。每個下位機運行各自的點，每當運行的點數超過500時，便向上位機要500個數據。這樣節省了上下位機交互的時間，改善了串聯機器人的同步性，提高了跟蹤精度。另外，由于ARM9的存在，不需要計算機的控制。上述7自由度串聯機器人的每個動作都是“自主”完成的，即沒有計算機的控制。 　　通過實驗證明，該控制系統穩定性好，實時性，可以在惡劣的環境下工作，通用性較強。 5 結論 　　本文中設計的嵌入式機器人控制系統在七自由度串聯機器人上的應用取得了一定成效，實時性、可靠性、通用性均有良好的表現，其體積小、功耗低，實際情況比較令人滿意;此控制系統在上位機（ARM）中寫控制算法，通過總線方式對下位機（DSP）進行控制，而不需要計算機的控制，可獨立自主的判斷如何動作。目前，該嵌入式控制系統的性能上還存在著諸多不足，主要表現在控制器中的控制算法的設計和功能的完善上，這也是今后努力的方向。 　　本文的創新點是機器人的自主性質，即機器人有自己的“判斷能力”，不須計算機控制。 參考文獻 　　[1]Richard M.Murray, Li Zexiang, S.Shanker Sastry. 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