摘 要: 依據(jù)現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，提出了一種基于ARM（Advanced RISC Microprocessor）、DSP和arm-linux的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，介紹了嵌入式系統(tǒng)，給出了功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并分別從上述各方面對(duì)控制系統(tǒng)的通用性進(jìn)行了探討。層次化的體系結(jié)構(gòu)、模塊化的硬件、結(jié)構(gòu)化的軟件使得設(shè)計(jì)出的機(jī)器人控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的硬件調(diào)整和軟件定制，就能適用于多種機(jī)器人。通過(guò)七自由度串聯(lián)機(jī)器人抓取工件的實(shí)例驗(yàn)證，該機(jī)器人控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、具有一定的通用性。 關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，ARM，機(jī)器人 1 前言 　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人將在太空探測(cè)、救災(zāi)防爆、海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，因而其發(fā)展正在成為國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)[1,2,3]。分析上述各種用途的機(jī)器人，其構(gòu)成不外乎機(jī)構(gòu)本題和控制系統(tǒng)兩大部分。機(jī)構(gòu)本體在體現(xiàn)機(jī)器人特色的同時(shí)，也決定了其必然是無(wú)人系統(tǒng)，在惡劣的環(huán)境下，機(jī)器人要具備一定的自主能力。這就要求機(jī)器人有一定的“判斷能力”和“想法”，需要復(fù)雜的算法，包括運(yùn)動(dòng)算法和模式識(shí)別算法。一般的微處理器是無(wú)法完成這項(xiàng)任務(wù)，而上述各種機(jī)器人又無(wú)法使用計(jì)算機(jī)控制作業(yè)，32位微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了此問(wèn)題。 　　嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪，以及適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4,5,6,7]。作為嵌入式系統(tǒng)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(yùn)行速度、尋址能力和功耗等問(wèn)題，已較難滿(mǎn)足相對(duì)復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，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(diǎn);例如，由于它有大量的使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，于是大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;它的尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，指令長(zhǎng)度固定等。在ARM中，可以嵌入嵌入式操作系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上可完成復(fù)雜的算法，可以代替PC機(jī)完成各種任務(wù)。 　　本文首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后介紹如何利用嵌入式操作系統(tǒng)和ARM 、DSP構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)，最后說(shuō)明使用此控制系統(tǒng)控制7自由度串聯(lián)機(jī)器人[12]。 2 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 　　嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式操作系統(tǒng)和承載操作系統(tǒng)的硬件組成。 　　2.1 嵌入式操作系統(tǒng) 　　嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的控制中心，主要用于對(duì)系統(tǒng)的信息處理部件和用戶(hù)交互界面加以控制。 　　2.1.1嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 　　在嵌入式領(lǐng)域中，實(shí)時(shí)是一個(gè)非常重要的概念。實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指在確定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能，并能對(duì)外部異步事件作出正確響應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心是必須在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完一項(xiàng)預(yù)先定義的操作，否則將引起性能下降甚至系統(tǒng)崩潰等嚴(yán)重后果。需要說(shuō)明的是，實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不是說(shuō)系統(tǒng)的響應(yīng)和處理速度非?？欤瑢?shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)需要軟硬件的配合來(lái)完成。首先應(yīng)該保證硬件的處理速度滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)相對(duì)軟件而言，實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在組成軟件系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)限。 　　在嵌入式系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能要從任務(wù)調(diào)度功能、內(nèi)存管理功能、最小內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等方面考慮。 　　2.1.2 嵌入式系統(tǒng)中的軟件 　　嵌入式系統(tǒng)的軟件部分，具有以下特點(diǎn)： 　　1） 嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)與硬件緊密相關(guān)。由于嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)式針對(duì)具體硬件平臺(tái)進(jìn)行的，它往往牽涉硬件驅(qū)動(dòng)方面的一些軟硬結(jié)合部分。 　　2） 軟件代碼要求高效率和高可靠性。嵌入式系統(tǒng)中軟件運(yùn)行空間有限，內(nèi)存空間非常寶貴，在軟件的編程過(guò)程中需時(shí)刻考慮軟件的運(yùn)行效率。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，處理器必須嚴(yán)格處理異步發(fā)生的各種任務(wù)。此外，嵌入式軟件系統(tǒng)還應(yīng)有異常處理、快速?gòu)?fù)位等特點(diǎn)。 　　3） 軟件一般固化在FLASH或ROM中。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)縮短系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間，一般在嵌入式軟件調(diào)試完畢后，會(huì)下載固化到目標(biāo)板中的FLASH或ROM中。 　　2.1.3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 　　嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品遍布人們的日常生活，從手機(jī)、PDA到家中的空調(diào)、冰箱，從小汽車(chē)到波音飛機(jī)，甚至武器庫(kù)中的巡航導(dǎo)彈，都有它的蹤跡。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛的使用，如國(guó)防、工業(yè)控制、通信、辦公自動(dòng)化和消費(fèi)電子領(lǐng)域等。 　　2.2 嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng) 　　與普通的PC硬件相比，嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)具有以下特性： 　　1） 體積小，集成效率高。嵌入式系統(tǒng)去除了冗余，力爭(zhēng)用最小的系統(tǒng)完成目標(biāo)功能。 　　2） 面向特定應(yīng)用。 　　3） 低功耗，電磁兼容性好，能在惡劣環(huán)境下工作，死機(jī)時(shí)能夠快速重啟。 　　嵌入式系統(tǒng)硬件在價(jià)格、功能、體積、重量、能耗等方面都有嚴(yán)格的限制。 3 系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì) 　　3.1 系統(tǒng)功能 　　本著既能滿(mǎn)足多種類(lèi)型機(jī)器人的實(shí)際需 要，又盡量節(jié)約資源的原則，控制系統(tǒng)提供的功能如下： 　　1） 上位機(jī)監(jiān)控.響應(yīng)控制臺(tái)發(fā)出的指令. 向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和命令; 　　2） 通訊總線. 現(xiàn)場(chǎng)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(tài)、位置、深度、高度、速度、加速度等傳感器，或者預(yù)留接口; 　　4） 脈寬調(diào)制.用于調(diào)整電機(jī)的速度和位置，從而控制機(jī)器人的速度和姿態(tài)等; 　　5） A/D采集.監(jiān)視工作電壓、電流、壓力等A/D量，用于系統(tǒng)控制或狀態(tài)記錄; 　　6） I/O控制.用于對(duì)外圍開(kāi)關(guān)量的監(jiān)控; 　　7） 數(shù)據(jù)記錄.用于設(shè)定參數(shù)的存儲(chǔ)、運(yùn)動(dòng)路線的定制或相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的記錄; 　　8） 通訊協(xié)議.便于控制器之間及機(jī)器人與上位機(jī)之間信息可靠、高效傳遞; 　　9） 信息處理.各種傳感器輸出數(shù)據(jù)的提取、處理及多傳感器信息融合; 　　10） 控制算法.下位計(jì)算法主要是前饋算法和PID算法，上位機(jī)算法視具體的機(jī)器人而定。 　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了能夠滿(mǎn)足多種機(jī)器人控制需求，同時(shí)兼顧機(jī)器人對(duì)控制器體積、重量、功耗等敏感的特性。 　　上位機(jī)CPU選用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（適用于實(shí)時(shí)環(huán)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(tǒng)選用源碼公開(kāi)、專(zhuān)為ARM設(shè)計(jì)的、可靠性高的實(shí)時(shí)、多任務(wù)內(nèi)核arm-Linux;下位機(jī)選用Ti公司的具有低功耗、靈活指令集、內(nèi)部操作靈活、高速的運(yùn)算能力等性能的DSP-TMS320LF2407。 　　3.2.1 體系結(jié)構(gòu) 　　基于ARM、DSP和arm-Linux的機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 　　上位機(jī)主要解決算法問(wèn)題，處理各個(gè)傳感器送回的信號(hào)，根據(jù)各個(gè)信號(hào)，向下位機(jī)發(fā)送控制命令，同時(shí)，上位機(jī)接收來(lái)自下位機(jī)的信號(hào)，判斷下位機(jī)的狀態(tài)，以便發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)和命令。下位機(jī)主要是對(duì)電機(jī)的控制，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令和數(shù)據(jù)，結(jié)合前饋算法和PID算法，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度、位置等控制。 　　不同類(lèi)型的機(jī)器人，其主要區(qū)別在于上位機(jī)的算法編寫(xiě)，上位機(jī)的算法與具體的機(jī)器人所要求完成的任務(wù)有關(guān)。在一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，只需一個(gè)上位機(jī)，作為機(jī)器人的“大腦”;下位機(jī)的個(gè)數(shù)則根據(jù)機(jī)器人需要而定。 　　3.2.2 硬件設(shè)計(jì) 　　硬件設(shè)計(jì)的原則是：部件模塊化，接口標(biāo)準(zhǔn)化，互換性、擴(kuò)展性好，可靠性高。 　　硬件可劃分為CPU模塊、外設(shè)模塊。兩個(gè)模塊層可疊在一起，機(jī)械上可拆分，相互之間有接口相連，便于互換和維護(hù)。 　　1）CPU模塊：上位機(jī)包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素;下位機(jī)包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素。 　　2）外設(shè)模塊：上位機(jī)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(jī)通訊接口、USB HOST接口、USB SLAVE 接口、LCD接口等，同時(shí)它也是傳感器模塊和CPU模塊連接的橋梁;下位機(jī)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(jī)通訊接口、A/D接口，F(xiàn)LASH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(nèi)的2個(gè)UART分別用作485總線及與下位機(jī)通訊接口，這兩個(gè)串口屬于對(duì)外連接口，為了避免引入外界干擾，用高速光隔HCPL2630進(jìn)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(nèi)UART用作與上位機(jī)通訊接口，也用了光電隔離。 　　針對(duì)不同的機(jī)器人，硬件部分只需做簡(jiǎn)單的接口調(diào)整或傳感器增刪。 　　控制器集成尺寸：上位機(jī)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(jī)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(shè)計(jì) 　　軟件設(shè)計(jì)的基本原則是：軟件結(jié)構(gòu)化，驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)可定制[13]。 　　軟件設(shè)計(jì)的主要工作是操作系統(tǒng)的移植、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、常用API函數(shù)的封裝、多任務(wù)的分解與設(shè)計(jì)、上位機(jī)算法的編寫(xiě)和下位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序與算法的編寫(xiě)等。其中關(guān)鍵在于上下位機(jī)的同步性，當(dāng)多個(gè)控制器一起工作時(shí)，同步問(wèn)題更加重要了。上位機(jī)把數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，先把控制器的標(biāo)號(hào)給傳下去，只有與此號(hào)碼相對(duì)應(yīng)模塊才能接收下面的數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)接收到信號(hào)后，需要向上位機(jī)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。需要同步多個(gè)處理器，分別占用總線。為了使多機(jī)通訊同步，不發(fā)生信號(hào)沖突，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，每個(gè)微處理器使用了一個(gè)I/O口，并把每個(gè)處理器的I/O口用線連在一起。當(dāng)一個(gè)控制器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，向其它處理器發(fā)送一個(gè)高信號(hào)，來(lái)說(shuō)明自己正在使用總線。接受到該信號(hào)的處理器得知總線正在忙，不再發(fā)送數(shù)據(jù)，可避免總線沖突。事實(shí)證明這種方法是可行的，不會(huì)發(fā)生總線沖突，多處理器工作時(shí)同步性很好。 　　本軟件中傳感器數(shù)據(jù)的讀取、校驗(yàn)、提取、處理均按照NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，便于系統(tǒng)升級(jí)。 　　系統(tǒng)可定制主要是考慮到針對(duì)不同機(jī)器人其上層軟件不盡相同。 4 實(shí)驗(yàn)研究 　　應(yīng)用于7自由度串聯(lián)機(jī)器人 　　為了驗(yàn)證該機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了場(chǎng)景試驗(yàn)：7自由度串聯(lián)機(jī)器人首先抓取第一工件放在加工臺(tái)上;把其它兩個(gè)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(gè)過(guò)程如圖6～圖9所示。 [align=center] [/align] 　　機(jī)器人完成這個(gè)任務(wù)所要經(jīng)過(guò)的過(guò)程：①機(jī)器人抓取第一個(gè)工件，并把它放在加工臺(tái)上，如圖2～圖3所示;②機(jī)器人把第2個(gè)工件移到第一個(gè)位置，準(zhǔn)備進(jìn)行加工，如圖4～圖5所示;③把第三個(gè)工件移到第二個(gè)位置上，圖6～圖7所示;④機(jī)器人抓取加工好的工件，并把它放在第三個(gè)位置上，如圖8～圖9所示。 　　這樣一個(gè)循環(huán)周期便完成了一個(gè)工件的加工，可使后面的工件依次得到加工。 　　在該控制系統(tǒng)內(nèi)，上位機(jī)（S3C2410）首次算好1000個(gè)點(diǎn)，通過(guò)RS485總線傳送給每個(gè)下位機(jī)控制器并把這些點(diǎn)存于下位機(jī)FLASH中。每個(gè)下位機(jī)運(yùn)行各自的點(diǎn)，每當(dāng)運(yùn)行的點(diǎn)數(shù)超過(guò)500時(shí)，便向上位機(jī)要500個(gè)數(shù)據(jù)。這樣節(jié)省了上下位機(jī)交互的時(shí)間，改善了串聯(lián)機(jī)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(jì)算機(jī)的控制。上述7自由度串聯(lián)機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作都是“自主”完成的，即沒(méi)有計(jì)算機(jī)的控制。 　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，實(shí)時(shí)性，可以在惡劣的環(huán)境下工作，通用性較強(qiáng)。 5 結(jié)論 　　本文中設(shè)計(jì)的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)在七自由度串聯(lián)機(jī)器人上的應(yīng)用取得了一定成效，實(shí)時(shí)性、可靠性、通用性均有良好的表現(xiàn)，其體積小、功耗低，實(shí)際情況比較令人滿(mǎn)意;此控制系統(tǒng)在上位機(jī)（ARM）中寫(xiě)控制算法，通過(guò)總線方式對(duì)下位機(jī)（DSP）進(jìn)行控制，而不需要計(jì)算機(jī)的控制，可獨(dú)立自主的判斷如何動(dòng)作。目前，該嵌入式控制系統(tǒng)的性能上還存在著諸多不足，主要表現(xiàn)在控制器中的控制算法的設(shè)計(jì)和功能的完善上，這也是今后努力的方向。 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是機(jī)器人的自主性質(zhì)，即機(jī)器人有自己的“判斷能力”，不須計(jì)算機(jī)控制。 參考文獻(xiàn) 　　[1]Richard M.Murray, Li Zexiang, S.Shanker Sastry. 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