多核異構(gòu)服務(wù)機(jī)器人通用可編程控制系統(tǒng)研究

(長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著我國人口老齡化速度的加快，人力勞動成本的不斷增長，近些年來我國機(jī)器人市場進(jìn)入了高速增長期，服務(wù)機(jī)器人的研究也正處于方興未艾的階段。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)，采用WiFi技術(shù)的智能化用于圖書館取書的機(jī)器人設(shè)計方案。文獻(xiàn)[2]提出一種基于Android系統(tǒng)和LabVIEW的變電站服務(wù)機(jī)器人的自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計方案。文獻(xiàn)[3]采用雙ARM Cortex架構(gòu)，對嵌入式移動機(jī)器人的控制器進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]針對液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人控制問題，提出了一種以ARM為內(nèi)核的嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[6]針對不同的應(yīng)用場合，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對機(jī)器人遠(yuǎn)程操控的控制器系統(tǒng)的設(shè)計方案。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[11]采用Android系統(tǒng)作為機(jī)器人控制器設(shè)計中的輔助控制，就不同工況的機(jī)器人控制器設(shè)計進(jìn)行了有益的探討。

由上述研究可見，服務(wù)機(jī)器人控制器的研究已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展?，F(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人設(shè)計涉及大量模擬傳感器、開關(guān)型傳感器以及電機(jī)的驅(qū)動，存在大量設(shè)備數(shù)據(jù)的交互；本地現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要實時現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控；為使服務(wù)機(jī)器人更加人性化，服務(wù)機(jī)器人需具有多媒體交互功能。而現(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人多采用的單核模式開發(fā)控制器，雖能滿足上述需求，但也存在開發(fā)周期長、研發(fā)成本高等問題。

為解決上述問題，提出了一種以Android移動終端為主控制器，以通信主板、模擬板和運(yùn)動控制板為輔助控制器的多核異構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人通用可編程控制器系統(tǒng)的設(shè)計方案。通信主板、模擬板和運(yùn)動控制板由自定義增強(qiáng)型SPI相互通信，并分別完成特定的任務(wù)和功能，任務(wù)的進(jìn)度和協(xié)調(diào)由Android移動終端進(jìn)行控制，將控制系統(tǒng)的任務(wù)多核化。運(yùn)載于主控制器移動終端的控制器監(jiān)控系統(tǒng)，方便了服務(wù)機(jī)器人設(shè)備現(xiàn)場性能的監(jiān)測監(jiān)控。開發(fā)了一種基于EngineerC語言面向多核異構(gòu)的圖形化編程系統(tǒng)，可實現(xiàn)對系統(tǒng)平臺的快速二次開發(fā)，圖形化編程降低了系統(tǒng)平臺對用戶編程能力的要求。

1 總體設(shè)計

多核異構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人可編程控制器的硬件主要包括通信主板、模擬板、運(yùn)動控制板、移動終端以及PC機(jī)。通信主板、模擬板和運(yùn)動控制板間通過自定義增強(qiáng)型SPI進(jìn)行相互通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。運(yùn)動控制板用于驅(qū)動服務(wù)機(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動單元。模擬板用于采集傳感器和運(yùn)動控制板的數(shù)據(jù)信息。通信主板主要實現(xiàn)移動終端和微控制板之間的多方式通信。移動終端作為主控制器，處理相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以圖表形式顯示在移動終端屏幕上。機(jī)器人圖形化編程系統(tǒng)(Robot Graphical Integration Development Environment,RGIDE)通過圖形編程系統(tǒng)為移動終端和微控制板編寫相關(guān)程序。該方案的具體實現(xiàn)原理圖如圖1所示。

1.1 通信主板

通信主板實現(xiàn)了上位機(jī)與微控制板之間的通信，完成了代碼的燒寫和傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。通信主板主要由CAN總線、RS232串口、RS485接口、USB串口、藍(lán)牙、WiFi、以太網(wǎng)、自定義增強(qiáng)型SPI和電源構(gòu)成。通信主板與上位機(jī)采用以USB接口有線通信和CAN無線通信方式為主、其他多種通信方式為輔的通信模式，提高了該控制器的通用性。上位機(jī)主要采用以Android移動終端為主，PC機(jī)等為輔的方案。移動終端的控制器監(jiān)控系統(tǒng)中以動態(tài)文本和動態(tài)曲線的形式將傳感器數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

圖1 多核異構(gòu)控制器總體設(shè)計框架

1.2 模擬板

模擬板主要包括A/D電路模塊、D/A電路模塊、增強(qiáng)SPI和電源模塊。A/D電路模塊主要由衰減電路、模擬開關(guān)和儀表放大器組成，該模塊可采集來自傳感器的三路差分信號和兩路4～10 mA的電流信號；D/A模塊可產(chǎn)生±10 V的數(shù)字信號，用于系統(tǒng)測試；電源模塊主要是為模擬板提供±5 V和±15 V的電源。模擬板主要采集并處理來自超聲波測距傳感器、相關(guān)攝像機(jī)和機(jī)械里程計等外設(shè)傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過通信板傳輸給移動終端。模擬板D/A模塊原理圖如圖2所示。

1.3 運(yùn)動控制板

運(yùn)動控制板的主要功能為控制移動機(jī)器人運(yùn)動單元的運(yùn)動狀態(tài)，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。運(yùn)動控制板主要由DRV8835模塊、CH340模塊、SWD接口和電源模塊構(gòu)成。DRV8835模塊主要由4片DRV8835構(gòu)成，用以驅(qū)動8個步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。SWD接口可實現(xiàn)運(yùn)動控制板主芯片的單獨(dú)調(diào)試。運(yùn)動控制板的CH340作為轉(zhuǎn)接芯片，可實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口和USB打印串口。DRV8835的原理圖如圖3所示。

1.4 多核異構(gòu)

多核異構(gòu)控制器系統(tǒng)的硬件主要由通信主板、模擬板和運(yùn)動控制板構(gòu)成。每個微控制板搭載不同的主芯片和外設(shè)芯片，從而將控制器的特定任務(wù)分配給特定的控制板完成。各微控制器之間可通過增強(qiáng)型SPI連接，實現(xiàn)了各微控制板互為主從的通信模式。各微控制板即可單運(yùn)行，也可多微控制板同步運(yùn)行。如在模擬板進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)采集的同時，運(yùn)動控制主板進(jìn)行服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動控制，實現(xiàn)了多任務(wù)的同步運(yùn)行，這種控制系統(tǒng)功能的多核化處理，降低了運(yùn)算負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

圖2 D/A模塊原理圖

圖3 DRV8835原理圖

2 客戶端監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計了一種運(yùn)載于終端移動平臺的服務(wù)機(jī)器人監(jiān)控器系統(tǒng)，便利了服務(wù)機(jī)器人的現(xiàn)場維護(hù)和維修。該監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)獲取

該監(jiān)控系統(tǒng)使用Android中的Service組件實時獲取傳感器數(shù)據(jù)，即在Service的onStarCommand()函數(shù)中初始化傳感器，獲取傳感器數(shù)據(jù)，并實時傳輸給SQLite中間數(shù)據(jù)庫。首先設(shè)置傳感器管理器，并獲取相應(yīng)傳感器權(quán)限，其次，注冊并實例化傳感器監(jiān)聽器，然后獲取傳感器數(shù)據(jù)。

陀螺儀傳感器和加速度傳感器數(shù)據(jù)由空間X軸、Y軸和Z軸三方向數(shù)據(jù)組成，經(jīng)如下算法獲得設(shè)備實際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

If(event.Sensor.getType()=

Sensor.TYPE_GYROSCOPE)

{

float[]values_gy=event.values;

if(timestamp!=0)

{

//方向旋轉(zhuǎn)角度初始值

float axisX=event.values[0];

float axisY=event.values[1];

float axisZ=event.values[2];

}

}

2.3 傳感器中間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

該控制器監(jiān)控系統(tǒng)選擇Android移動終端支持的SQLite數(shù)據(jù)庫作為中間數(shù)據(jù)庫，用來存儲和管理獲取的傳感器數(shù)據(jù)。先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫monitordatabase，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，創(chuàng)建sensordata_table(傳感器數(shù)據(jù)表)和userdata_table(用戶信息表)。

傳感器數(shù)據(jù)表創(chuàng)建的關(guān)鍵代碼如下：

Public void CreatTable_SensorData(

SQLitDatabase database)

{

String SensorTable=”create table

SensorTable(

id integer primary key autoincrement,

date Date,time Time,acc_xvalue Double,

acc_yvalue Double,acc_zvalue

Double,gyr_xvalue Double,

gyr_yvalue Double,gyr_zvalue Double)；

Database.SQLexec(SensorTable);

}

對中間數(shù)據(jù)庫可進(jìn)行添加數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、查找數(shù)據(jù)和刪除數(shù)據(jù)等操作。監(jiān)控系統(tǒng)中間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和操作過程如圖5所示。

圖5 中間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和操作流程

2.4 傳感器數(shù)據(jù)可視化

傳感器數(shù)據(jù)來源有兩種:一種是移動終端自帶傳感器采集的數(shù)據(jù)；一種是由模擬板采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)中央通信板傳送到移動終端的傳感器數(shù)據(jù)。

獲得傳感器數(shù)據(jù)與當(dāng)前時間數(shù)據(jù)，將時間數(shù)據(jù)傳遞給中間變量，然后匹配當(dāng)前時間與中間變量不一致時，采集數(shù)據(jù)、刷新移動端可視化數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)在移動終端上的可視化方式有動態(tài)文本和動態(tài)曲線兩種模式。將移動終端與測試設(shè)備綁定測試，獲得兩種顯示模式結(jié)果。

① 動態(tài)文本模式。該控制器平臺的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計了中間數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)將會從每200 ms刷新一次的中間數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，并以動態(tài)文本的形式顯示在移動平臺界面。傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)文本顯示界面如6所示。

② 動態(tài)曲線模式。為能夠更加直觀地觀察傳感器數(shù)據(jù)的變化幅值和趨勢，監(jiān)測系統(tǒng)使用可繪制圖表的TChart控件，將傳感器數(shù)據(jù)以動態(tài)曲線的形式顯示在移動平臺的界面。傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)曲線顯示界面如圖7所示。動態(tài)曲線使用戶更容易發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)和意外工況，方便了現(xiàn)場維護(hù)和維修。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)文本顯示界面

圖7 傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)曲線顯示界面

3 機(jī)器人圖形化編程系統(tǒng)

研發(fā)了一種基于EngineerC開發(fā)環(huán)境面向多核異構(gòu)的圖形化編程系統(tǒng)——機(jī)器人圖形化二次開發(fā)平臺(RGIDE)。RGIDE由文件系統(tǒng)、拖拽系統(tǒng)、智能提示系統(tǒng)、圖形交互模塊、調(diào)試模塊和顯示模塊組成。RGIDE實現(xiàn)了對移動終端和微控制板的程序代碼的編寫和二次開發(fā)，RGIDE的圖形化簡化了編程過程，降低了控制系統(tǒng)編程的難度，即便是初學(xué)者也能完成復(fù)雜代碼的編寫。圖8為RGIDE的主界面。

圖8 RGIDE使用界面

3.1 EngineerC開發(fā)語言

為實現(xiàn)面向多核異構(gòu)控制器系統(tǒng)的調(diào)試與開發(fā)，研發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的EngineerC開發(fā)語言。該開發(fā)語言以C語言為基礎(chǔ)，結(jié)合C++和C#語言特點，實現(xiàn)了半結(jié)構(gòu)化的自然語言編程。該語言為用戶提供了圖形化輸入語言，用戶根據(jù)編程邏輯，拖拽相關(guān)圖形完成工程的建立和函數(shù)的添加，編程代碼將在EngieerC開發(fā)環(huán)境后臺自動生成。

3.2 RGIDE關(guān)鍵技術(shù)

編程代碼的編寫主要由圖形交互模塊實現(xiàn)，是RGIDE編輯的核心部分，圖形交互模塊可以實現(xiàn)基本語句代碼交互和復(fù)雜表達(dá)式交互。

① 語句交互。RGIDE的語句交互主要實現(xiàn)在圖形代碼編輯區(qū)完成語句內(nèi)容實質(zhì)編輯?？蓪崿F(xiàn)的語句交互類型為定義變量交互，賦值語句交互，if/if…else…交互，for循環(huán)交互，while循環(huán)交互和return交互。如圖9，第0行和第1行為定義變量交互編輯，第2行和第6行組成if交互編輯，第3行和第5行為while循環(huán)交互編輯。由此可見，此控制系統(tǒng)降低了對用戶編程水平的要求。

圖9 語句圖形交互

② 復(fù)雜表達(dá)式交互。用戶可通過復(fù)雜表達(dá)式交互的點擊調(diào)用，將變量、常量和函數(shù)自由組合在一起，如圖所示，通過點擊相應(yīng)圖形輸入單元格，可完成復(fù)雜編程程序的設(shè)計，如圖10所示。

圖10 復(fù)雜表達(dá)式圖形交互

3.3 RGIDE應(yīng)用

RGIDE為用戶提供了簡單易學(xué)編程平臺，使得編程知識欠缺用戶也可為該控制系統(tǒng)編寫控制程序。使用RGIDE為該多核異構(gòu)服務(wù)機(jī)器人通用可編程控制系統(tǒng)編程方便易學(xué)。圖11展示了RGIDE為控制系統(tǒng)編寫程序的編輯過程。

4 結(jié)束語

提出了一種面向服務(wù)機(jī)器人的基于多核異構(gòu)模式的通用可編程控制器系統(tǒng)平臺。完成了控制器系統(tǒng)的功能向各個微控制板的分配，實現(xiàn)了多核異構(gòu)的模式設(shè)計，增加了系統(tǒng)的實時性和可靠性。通過客戶監(jiān)控系統(tǒng)，將傳感器數(shù)據(jù)以動態(tài)文本和動態(tài)曲線形式，顯示在移動終端的屏幕上，方便了系統(tǒng)平臺現(xiàn)場維修和維護(hù)。同時基于EngineerC語言的圖形化編程系統(tǒng)，降低了平臺對用戶的編程能力要求，實現(xiàn)了對系統(tǒng)平臺的快速二次開發(fā)。經(jīng)測試，該低成本控制器系統(tǒng)平臺達(dá)到了較高可靠性和實時性，且該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖11 RGIDE 編輯系統(tǒng)