爬壁機(jī)器人應(yīng)用嵌入式控制的探討

馬勇利

摘 要：爬壁機(jī)器人的運(yùn)行速率高、跨障礙性好、適應(yīng)性強(qiáng)。為了強(qiáng)化其運(yùn)動控制，特在機(jī)器人驅(qū)動控制方案中加入了嵌入式控制系統(tǒng)，凸顯系統(tǒng)的實(shí)時性和專業(yè)性，以滿足機(jī)電控制系統(tǒng)對實(shí)時性提出的要求。通過深入分析爬壁機(jī)器人的驅(qū)動和控制原理，探討如何有效地在爬壁機(jī)器人本體中安裝嵌入式控制系統(tǒng)，從而提高機(jī)器人的實(shí)時操作和控制能力。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；驅(qū)動控制系統(tǒng)；嵌入式控制；模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.016

1 嵌入式系統(tǒng)控制及其特征

嵌入式系統(tǒng)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)裁剪軟件和硬件，滿足用途、成本、能耗等方面要求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其硬件主要包括微處理器（控制器）、存儲器、外圍器件和I/O接口等；軟件主要包括操作系統(tǒng)EOS和相關(guān)的應(yīng)用程序。微處理器和操作系統(tǒng)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。該系統(tǒng)主要針對特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)在不同領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，需權(quán)衡功用、能耗和成本3個指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)。

嵌入式系統(tǒng)主要有以下幾個特征：①內(nèi)核小。與通用的操作系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核僅占5 kB左右。②專業(yè)性強(qiáng)。軟件、硬件緊密結(jié)合，個性化很強(qiáng)，可以根據(jù)任務(wù)需要移植硬件，通過程序編譯下載、更改系統(tǒng)。③簡化系統(tǒng)。整個系統(tǒng)內(nèi)無冗余成分，有效降低了成本，保證了系統(tǒng)的安全性。④強(qiáng)實(shí)時性。系統(tǒng)內(nèi)的軟件代碼必須固化儲存，以保證其運(yùn)行率。⑤系統(tǒng)開發(fā)的專門性。相關(guān)人員不能自主開發(fā)嵌入式系統(tǒng)，而用戶也不能擅自修改它，必須在特定的開發(fā)環(huán)境中使用配套的開發(fā)工具，主要包括宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。其中，前者用于程序開發(fā)，后者用于執(zhí)行開發(fā)，兩者可以在不同的機(jī)型上進(jìn)行交叉式開發(fā)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由CPU存儲系統(tǒng)、氣動模塊、電缸驅(qū)動模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、多路傳感器模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊和電源模塊組成。多路傳感器嵌入式系統(tǒng)模塊如圖1所示，主控制系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

2 嵌入式系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 CPU和存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在整個嵌入式控制系統(tǒng)中，CPU是非常重要的一部分，它承擔(dān)著外設(shè)協(xié)同工作，所以，必須符合數(shù)據(jù)算法處理的相關(guān)要求。嵌入系統(tǒng)中的CPU主要有2種：①DSP，主要用于處理數(shù)字信號；②ARM，其能耗低、成本低、性能高。

在該模塊中，存儲器主要用于儲存數(shù)字圖像和工作狀態(tài)參數(shù)。因?yàn)閮Υ娴膬?nèi)容不同，所以，儲存容量和速率也不相同。存儲數(shù)字圖像時，要求容量大、存取速度快，因此，可以選用型號為SST39VF160的Flash存儲器，其內(nèi)存為2 M，存儲器與CMOS兼容，可直接連接LPC2214并口，具體運(yùn)行情況如圖3所示。

2.2 氣路真空檢測

氣路真空檢測主要檢測的是吸盤能否達(dá)到真空狀態(tài)，是否具有吸附功能。在爬壁機(jī)器人運(yùn)行的過程中，吸盤接觸到壁面后，要經(jīng)過一段時間才能保證盤內(nèi)的真空度達(dá)到-0.8 bar。在這段時間內(nèi)，另一組吸盤必須保證其吸附性，保證有足夠的吸附力。當(dāng)吸盤內(nèi)的真空度維持在-0.8 bar時，才能讓另外一個吸盤脫離墻壁，使機(jī)器人完成下一步操作。為了保證吸盤真空度的精確性，在具體的操作過程中，可以利用真空開關(guān)將真空壓力轉(zhuǎn)化為電信號，將壓力門的閾值調(diào)整為-0.8 bar，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動化智能操作。真空開關(guān)與CPU的信號連接電路如圖4所示。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

在嵌入式控制系統(tǒng)中，LPC2214芯片中有4組電源輸入，即數(shù)字3.3 V、數(shù)字1.8 V、模擬3.3 V和模擬1.8 V。嵌入式系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)主要采用模擬3.3 V，CPU等硬件的芯片供電也都采用該組電源輸入。另外，當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率保持在50 MHz以上，并且嚴(yán)格要求電源的紋波時，可利用電源監(jiān)視設(shè)備保證電壓的穩(wěn)定性，從而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。一般情況下，一個系統(tǒng)內(nèi)有3組電源和電源監(jiān)視模塊。電源監(jiān)控模塊是SP708S，系統(tǒng)上電之后，可利用電源監(jiān)控系統(tǒng)保持電源的穩(wěn)定性。當(dāng)電壓低于3.0 V時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)CPU復(fù)位，防止意外的發(fā)生。電源監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)如圖5所示。

系統(tǒng)中大多數(shù)芯片所需的電壓為3.3 V，這些芯片包括ARM、SRAM、FLASH ROM和RS-485收發(fā)器等。為了滿足低功耗的要求，ARM芯片內(nèi)核可采用1.8 V電源（其I/O電源為3.3 V）。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了爬壁機(jī)器人運(yùn)行過程中的主要特征及其運(yùn)行弊端，凸顯出嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時性能和專業(yè)性能，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕