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

隨著我國(guó)人口老齡化速度的加快，人力勞動(dòng)成本的不斷增長(zhǎng)，近些年來(lái)我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)進(jìn)入了高速增長(zhǎng)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(shū)館取書(shū)的機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jì)方案。文獻(xiàn)[3]采用雙ARM Cortex架構(gòu)，對(duì)嵌入式移動(dòng)機(jī)器人的控制器進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人控制問(wèn)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(jì)方案。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[6]針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遠(yuǎn)程操控的控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)中的輔助控制，就不同工況的機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探討。

由上述研究可見(jiàn)，服務(wù)機(jī)器人控制器的研究已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)涉及大量模擬傳感器、開(kāi)關(guān)型傳感器以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，存在大量設(shè)備數(shù)據(jù)的交互；本地現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)控制器，雖能滿足上述需求，但也存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，提出了一種以Android移動(dòng)終端為主控制器，以通信主板、模擬板和運(yùn)動(dòng)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(jì)方案。通信主板、模擬板和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)性能的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。開(kāi)發(fā)了一種基于EngineerC語(yǔ)言面向多核異構(gòu)的圖形化編程系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的快速二次開(kāi)發(fā)，圖形化編程降低了系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)用戶編程能力的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

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(dòng)控制板、移動(dòng)終端以及PC機(jī)。通信主板、模擬板和運(yùn)動(dòng)控制板間通過(guò)自定義增強(qiáng)型SPI進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。運(yùn)動(dòng)控制板用于驅(qū)動(dòng)服務(wù)機(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動(dòng)單元。模擬板用于采集傳感器和運(yùn)動(dòng)控制板的數(shù)據(jù)信息。通信主板主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和微控制板之間的多方式通信。移動(dòng)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(dòng)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(guò)圖形編程系統(tǒng)為移動(dòng)終端和微控制板編寫(xiě)相關(guān)程序。該方案的具體實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1所示。

1.1 通信主板

通信主板實(shí)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(xiě)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(wú)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(dòng)終端為主，PC機(jī)等為輔的方案。移動(dòng)終端的控制器監(jiān)控系統(tǒng)中以動(dòng)態(tài)文本和動(dòng)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(jì)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(kāi)關(guān)和儀表放大器組成，該模塊可采集來(lái)自傳感器的三路差分信號(hào)和兩路4～10 mA的電流信號(hào)；D/A模塊可產(chǎn)生±10 V的數(shù)字信號(hào)，用于系統(tǒng)測(cè)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(lái)自超聲波測(cè)距傳感器、相關(guān)攝像機(jī)和機(jī)械里程計(jì)等外設(shè)傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信板傳輸給移動(dòng)終端。模擬板D/A模塊原理圖如圖2所示。

1.3 運(yùn)動(dòng)控制板

運(yùn)動(dòng)控制板的主要功能為控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。運(yùn)動(dòng)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(dòng)8個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。SWD接口可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制板主芯片的單獨(dú)調(diào)試。運(yùn)動(dòng)控制板的CH340作為轉(zhuǎn)接芯片，可實(shí)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(dòng)控制板構(gòu)成。每個(gè)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(guò)增強(qiáng)型SPI連接，實(shí)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(shí)，運(yùn)動(dòng)控制主板進(jìn)行服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)了一種運(yùn)載于終端移動(dòng)平臺(tái)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(chǎng)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)傳輸給SQLite中間數(shù)據(jù)庫(kù)。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(cè)并實(shí)例化傳感器監(jiān)聽(tīng)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(shí)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(kù)設(shè)計(jì)

該控制器監(jiān)控系統(tǒng)選擇Android移動(dòng)終端支持的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)作為中間數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存儲(chǔ)和管理獲取的傳感器數(shù)據(jù)。先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)中間數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)的構(gòu)建和操作過(guò)程如圖5所示。

圖5 中間數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)源有兩種:一種是移動(dòng)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(dòng)終端的傳感器數(shù)據(jù)。

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

① 動(dòng)態(tài)文本模式。該控制器平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了中間數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)將會(huì)從每200 ms刷新一次的中間數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，并以動(dòng)態(tài)文本的形式顯示在移動(dòng)平臺(tái)界面。傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)文本顯示界面如6所示。

② 動(dòng)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(shì)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用可繪制圖表的TChart控件，將傳感器數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示在移動(dòng)平臺(tái)的界面。傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線顯示界面如圖7所示。動(dòng)態(tài)曲線使用戶更容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和意外工況，方便了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和維修。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)文本顯示界面

圖7 傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)(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(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)終端和微控制板的程序代碼的編寫(xiě)和二次開(kāi)發(fā)，RGIDE的圖形化簡(jiǎn)化了編程過(guò)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(xiě)。圖8為RGIDE的主界面。

圖8 RGIDE使用界面

3.1 EngineerC開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

為實(shí)現(xiàn)面向多核異構(gòu)控制器系統(tǒng)的調(diào)試與開(kāi)發(fā)，研發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EngineerC開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。該開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，結(jié)合C++和C#語(yǔ)言特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了半結(jié)構(gòu)化的自然語(yǔ)言編程。該語(yǔ)言為用戶提供了圖形化輸入語(yǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境后臺(tái)自動(dòng)生成。

3.2 RGIDE關(guān)鍵技術(shù)

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

① 語(yǔ)句交互。RGIDE的語(yǔ)句交互主要實(shí)現(xiàn)在圖形代碼編輯區(qū)完成語(yǔ)句內(nèi)容實(shí)質(zhì)編輯?？蓪?shí)現(xiàn)的語(yǔ)句交互類(lèi)型為定義變量交互，賦值語(yǔ)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(jiàn)，此控制系統(tǒng)降低了對(duì)用戶編程水平的要求。

圖9 語(yǔ)句圖形交互

② 復(fù)雜表達(dá)式交互。用戶可通過(guò)復(fù)雜表達(dá)式交互的點(diǎn)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(guò)點(diǎn)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(jì)，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(jiǎn)單易學(xué)編程平臺(tái)，使得編程知識(shí)欠缺用戶也可為該控制系統(tǒng)編寫(xiě)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(xiě)程序的編輯過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(tái)。完成了控制器系統(tǒng)的功能向各個(gè)微控制板的分配，實(shí)現(xiàn)了多核異構(gòu)的模式設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過(guò)客戶監(jiān)控系統(tǒng)，將傳感器數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)文本和動(dòng)態(tài)曲線形式，顯示在移動(dòng)終端的屏幕上，方便了系統(tǒng)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)維修和維護(hù)。同時(shí)基于EngineerC語(yǔ)言的圖形化編程系統(tǒng)，降低了平臺(tái)對(duì)用戶的編程能力要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的快速二次開(kāi)發(fā)。經(jīng)測(cè)試，該低成本控制器系統(tǒng)平臺(tái)達(dá)到了較高可靠性和實(shí)時(shí)性，且該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖11 RGIDE 編輯系統(tǒng)