時(shí)間:2008-03-17 14:22:00來源:lijuan
圖1 遙操作排爆機(jī)器人PBJ-1 [/align]
1 PBJ-1功能介紹
目前國(guó)際上比較流行的排爆機(jī)器人,都需要由經(jīng)過專門培訓(xùn)的操作人員通過操作一組分別控制機(jī)械臂上各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的按鍵控制,操作很不方便。操作人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的狀況,判斷出需要機(jī)械手執(zhí)行的動(dòng)作,再經(jīng)過大腦的轉(zhuǎn)換,手工控制機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)順序動(dòng)作,使機(jī)械手爪擬合出一條空間軌跡以完成作業(yè),大大降低了工作效率。這類排爆機(jī)器人一般都需要大量的攝像機(jī),隨時(shí)顯示爆炸物相對(duì)機(jī)械手爪的位置,以便操作人員決定下一步動(dòng)作。
新型排爆機(jī)器人PBJ-1為了使操作人員操作更加方便,在嵌入式控制器中嵌入了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂的自主聯(lián)動(dòng)控制。操作者只要通過觀看控制箱上面的顯示器,直接操縱控制器命令機(jī)器人水平前、后或垂直上、下運(yùn)動(dòng),機(jī)械臂可以實(shí)時(shí)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算和分解運(yùn)動(dòng)控制,控制機(jī)械手爪完成空間的直線擬合運(yùn)動(dòng)。這種操作方式略過了操作人員在大腦中進(jìn)行動(dòng)作轉(zhuǎn)換的步驟,大大方便了排爆這一高危險(xiǎn)性作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)。
為了方便現(xiàn)場(chǎng)操作,在其嵌入式控制器系統(tǒng)中還加入了機(jī)器人的一些半自主動(dòng)作功能。例如當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)后機(jī)械臂可以自動(dòng)折疊歸位;機(jī)械臂可以自動(dòng)進(jìn)入作業(yè)最佳操作姿態(tài);當(dāng)操作不當(dāng)時(shí),控制器可以自主取消操作人員發(fā)送的命令,以避免機(jī)械臂與車體之間的干涉碰撞等。
為防止爆炸物被恐怖分子遙控引爆,爆炸物品的拆除現(xiàn)場(chǎng)一般都要做電磁屏蔽處理,不能使用無線遙控型機(jī)器人,只能采用有纜遙操作移動(dòng)機(jī)器人。由于爆炸物品的拆除作業(yè)危險(xiǎn)性很大,所以對(duì)排爆機(jī)器人的有線通訊系統(tǒng)的可靠性要求很高。PBJ-1是通過RS-485協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互之間遠(yuǎn)距離、高速、高可靠性通訊。
操作人員可以通過上位控制箱里的液晶顯示器監(jiān)視作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài);通過操作各種動(dòng)作按鈕及操縱桿控制機(jī)器人完成各種作業(yè)。控制箱有六組4位數(shù)顯LED,分別顯示機(jī)器人型號(hào)(PBJ1)、通訊狀態(tài)(run或Err)、大小臂關(guān)節(jié)角、機(jī)器人及車體運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)器人電源實(shí)時(shí)電壓。這些都保證了操作人員可以全面了解機(jī)器人具體運(yùn)行狀態(tài),順利完成作業(yè)。
2 PBJ-1嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
遙操作機(jī)器人由于工作于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中,實(shí)際期望運(yùn)動(dòng)軌跡未知,所以需要根據(jù)操作者的實(shí)時(shí)操作情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的目標(biāo)位置生成及軌跡規(guī)劃,并完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。
由于這臺(tái)新型排爆機(jī)器人功能增強(qiáng),下位機(jī)微控制器需要實(shí)時(shí)完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及分解運(yùn)動(dòng)控制解算,并驅(qū)動(dòng)各個(gè)接口器件實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),還要保證上、下位機(jī)之間的正常通訊連接,及時(shí)、迅速、高可靠性地響應(yīng)上位機(jī)經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)并且上傳機(jī)器人本體的各種狀態(tài)信息,負(fù)擔(dān)很重。因此如何合理地進(jìn)行系統(tǒng)固件程序設(shè)計(jì)成為決定該機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行效果的關(guān)鍵。
要實(shí)現(xiàn)上面所述的功能,微控制器的應(yīng)用必須能夠同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)或工作的執(zhí)行。對(duì)此,傳統(tǒng)的基于單任務(wù)順序循環(huán)機(jī)制的程序設(shè)計(jì)方法難以勝任,如圖2所示。因此,需要找到一種新的合適的控制器設(shè)計(jì)方法。由于微控制器系統(tǒng)功能通??梢苑纸鉃槎鄠€(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊,將這些模塊理解為任務(wù),從而可以引入多任務(wù)機(jī)制進(jìn)行管理。引入多任務(wù)機(jī)制后,可以有效地改善程序結(jié)構(gòu),滿足應(yīng)用系統(tǒng)復(fù)雜的定時(shí)要求。在多任務(wù)機(jī)制下,CPU的運(yùn)行時(shí)間被劃分成許多小的時(shí)間片,由某種調(diào)度算法按不同的優(yōu)先級(jí)別分配給不同的任務(wù)。多個(gè)任務(wù)分別在各自的時(shí)間片內(nèi)訪問CPU,從而產(chǎn)生了微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行運(yùn)行的多任務(wù)效果,如圖3所示。
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在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中,合理的任務(wù)調(diào)度必不可少。單純通過提高處理器速度無法達(dá)到目的,這樣就要求嵌入式系統(tǒng)的軟件必須具有多任務(wù)調(diào)度能力。因此必須基于多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)固件開發(fā)。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的首要任務(wù)是調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)控制任務(wù);其次才著眼于提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用效率。其重要特點(diǎn)是通過任務(wù)調(diào)度對(duì)重要事件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)作出正確的響應(yīng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)既能保證對(duì)外界的信息以足夠快的速度進(jìn)行相應(yīng)處理,又能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù),具有實(shí)時(shí)性和并行性的特點(diǎn),因此能很好地完成對(duì)多個(gè)信息的實(shí)時(shí)測(cè)量、處理并進(jìn)行相應(yīng)的多個(gè)實(shí)時(shí)控制。
PBJ-1上下位機(jī)嵌入式控制器都是以業(yè)界經(jīng)典51內(nèi)核增強(qiáng)型單片機(jī)AT89C55WD為核心;基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51Tiny開發(fā)固件程序。通過提供必不可少的系統(tǒng)服務(wù),如信號(hào)量管理、消息隊(duì)列、延時(shí)等,實(shí)時(shí)內(nèi)核使CPU的利用更為有效。
2.1 RTX51簡(jiǎn)介
RTX51是德國(guó)Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)功能強(qiáng)大的、可用于目前世界上所有由Intel 8051標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核派生出的350多種增強(qiáng)微控制器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。使用RTX51可實(shí)現(xiàn)程序按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和搶先的任務(wù)調(diào)度,并且支持事件和信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
RTX51有兩個(gè)版本:RTX51Full和RTX51Tiny。RTX51Full允許4個(gè)優(yōu)先權(quán)任務(wù)的循環(huán)和切換,并且能夠并行地利用中斷功能。RTX51Full可以從內(nèi)存池中申請(qǐng)和釋放內(nèi)存,同時(shí)可以強(qiáng)制一個(gè)任務(wù)停止執(zhí)行等待一個(gè)中斷,或者是其它中斷傳來的信號(hào)量或者消息。RTX51Tiny短小精悍,是RTX51Full的一個(gè)子集,只占用900字節(jié)ROM、7字節(jié)DATA型及3倍于任務(wù)數(shù)量的IDATA型RAM空間,可以很容易地運(yùn)行在沒有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的單片機(jī)系統(tǒng)上。使用RTX51Tiny的程序可以訪問外部存儲(chǔ)器,允許循環(huán)任務(wù)切換,并且支持信號(hào)傳遞,還能并行地利用中斷功能。RTX51Tiny 允許“準(zhǔn)并行”同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)任務(wù)。每一個(gè)任務(wù)在預(yù)先定義好的時(shí)間片內(nèi)得以執(zhí)行。時(shí)間到使正在執(zhí)行的任務(wù)掛起,并使另一個(gè)任務(wù)開始執(zhí)行。最新的RTX51Tiny2.0重新調(diào)整了內(nèi)核結(jié)構(gòu),使用更靈活、執(zhí)行更快、占用的資源更少,另外還增加了幾個(gè)新的特性。
RTX51Tiny內(nèi)核完全集成在Keil C51編譯器中,以系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的方式運(yùn)行,因此可以很容易地使用Keil C51語言編寫和編譯一個(gè)多任務(wù)程序,并嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中。內(nèi)核主要提供以下函數(shù)供應(yīng)用程序引用,見表1。


圖5 上位機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)固件結(jié)構(gòu)
圖6 下位機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)固件結(jié)[/align]
由于有些任務(wù)不需要一直執(zhí)行,例如機(jī)器人需要響應(yīng)上位機(jī)的指令完成繼電器的切換等,也將利用os_wait函數(shù)處理,使它們平時(shí)不進(jìn)入RUNNING任務(wù)隊(duì)列中,減少資源浪費(fèi)。在下位機(jī)串口中斷中利用isr_send_signal向該任務(wù)發(fā)送信號(hào)激活該任務(wù),使得該要求得到執(zhí)行。
通過Windows消息驅(qū)動(dòng)的思想和RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的配合,合理分配了系統(tǒng)的資源。下位機(jī)控制器“集中精力” 完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解算及分解運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算這些相當(dāng)耗時(shí)的任務(wù),實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。
在微控制器固件開發(fā)中嵌入操作系統(tǒng)還大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即使某個(gè)外設(shè)或任務(wù)出現(xiàn)故障,與之無關(guān)的任務(wù)一般不會(huì)受到影響,不像傳統(tǒng)的順序循環(huán)機(jī)制的
程序設(shè)計(jì)方法中如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題會(huì)立刻造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。
實(shí)際整個(gè)系統(tǒng)的上下位機(jī)微控制器都是僅僅利用運(yùn)行于22.1184MHz頻率下的AT89C55WD 就很好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該系統(tǒng)在隨意頻繁地分別開關(guān)上下位機(jī)電源、受到較強(qiáng)電磁干擾、大功率電機(jī)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)造成系統(tǒng)電源電壓波動(dòng)較大等苛刻的運(yùn)行測(cè)試中均表現(xiàn)出了非常高的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行中即使出現(xiàn)了通訊失?。ㄈ藶榍袛嗤ㄓ嵕€路或部分電源),當(dāng)故障排除后,上、下位機(jī)可以迅速自動(dòng)恢復(fù)正常的通訊狀態(tài)沒有出現(xiàn)誤動(dòng)作。
筆者為新型排爆機(jī)器人PBJ-1先后開發(fā)了兩套控制器固件程序,采用完全一樣的硬件平臺(tái)。一套是基于傳統(tǒng)的順序循環(huán)機(jī)制,開始效果不理想,后來借鑒消息驅(qū)動(dòng)思想改進(jìn)程序架構(gòu)才滿足了要求。開發(fā)過程中花費(fèi)了不少時(shí)間來調(diào)試。另一套就是本文所述的基于RTX51 Tiny嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)的,實(shí)際運(yùn)行效果相當(dāng)好,但是花費(fèi)的時(shí)間很少,而且很容易增加新的功能。
實(shí)踐表明, 在系統(tǒng)復(fù)雜、對(duì)實(shí)時(shí)性和精度要求比較嚴(yán)格,并且需要并行處理的任務(wù)較多的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,使用RTX51Tiny是一個(gè)較好的解決辦法。此外,使用RTX51Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),會(huì)加快嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)速度,降低軟件編寫的復(fù)雜度,提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。維護(hù)和功能擴(kuò)展都非常方便。標(biāo)簽:
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