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电大学硕士做 摘要 并联机器人远程监控系统运动控制器的设计与实现 摘要 并联机器人机构是机、电、计算机相结合的产物，它通常是由两条 或多条运动支链和上下运动平台构成，运动支链和上下运动平台之间组 成一个或多个闭环结构，通过各支链运动状态的改变，使整个机构具有 可操纵的多个自由度。它具有输出精度高、结构刚性好、承载能力强、 便于控制、部件简单的等一系列优点，应用领域十分广泛。机器人控制 器作为机器人的核心部分，是影响机器人性能的关键部分之一。 随着信息技术的飞速发展和互联网的广泛应用，为机器人的远程监 摔提供了可能。对机器人控制器的性能也提出了更高的要求。嵌入式系 统以它强大的网络处理能力和多任务并行处理功能以及在实时性、成 本、功耗、小型化、可靠性等方面表现出的优良性能成为机器人远程监 控系统控制器的最佳选择。 本文以三个移动副沿平行固定在静平台上的导轨运动的3 p 6 s s 并 联机器人机构作为控制对象。对3 p 6 s s 并联机构的结构和位置进行了 分析。在此基础上介绍了远程监控系统嵌入式运动控制器的硬件设计： 利用a r m 7 嵌入式微处理器l p c 2 2 9 2 输出的p w m 信号驱动伺服驱动 器，从而控制机器人的运动；同时利用a r m 9 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的以太网接口与i n t e r n e t 互联，通过i n t e r n e t 实现用户对机器人的远程监 控；将这两个处理器通过c a n 总线接口接入c a n 总线，构建成一个 c a n 总线分布式控制系统。这样既可以满足监控系统的要求，又有利 于功能的扩展。在软件设计方面，对c a n 总线驱动程序进行了开发， 对t c p i p 网络协议进行学习研究，开发了控制器远程数据传输的应用 程序的。并在p c 机上利用v i s u a lc + + 6 0 进行了调试监控系统软件的设 计。 关键词：并联机器人远程监控嵌入式a r mc a nt c p i p 电大学硕士做 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a n o n0 f p a r a i ，l e lr o b o tm o t l 0 nc o n t r o l l e r f o rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t p a r a l l e lr o b o ti sac o m b i n a t i o no fm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r , w h i c hi s ，u s u a l l y , c o m p o s e do ft w oo rm u l t i p l ek i n e m a t i cb r a n c h e dc h a i n s ， w i t ht h et o pa n d b o t t o mk i n e m a t i cp l a t f o r m s t h ek i n e m a t i cb r a n c h e dc h a i n s a n dt h ep l a t f o r m sb u i l du po n eo rm o r ec l o s e dl o o ps t r u c t u r e s ，w h i c hp r o v i d e m u l t i p l eo p e r a b l ed e g r e e o f - f r e e d o mf o r t h e w h o l em e c h a n i s mv i at h e v a r i a t i o no fk i n e s t a t eo f e a c hb r a n c h e dc h a i n i th a sb e e nw i d e l ya d o p t e di n v a r i o u si n d u s t r i e s ，d u et oi t s m u l t i p l ed e g r e e o ff r e e d o m ，h i g h o u t p u t p r e c i s i o n ，q u a l i t y s t r u c t u r e r i g i d ，s t r o n gb e a r i n gc a p a b i l i t y , s i m p l ep a r t s a n db e i n ge a s yt oc o n t r o le t c a st h ec o r eo far o b o t ，t h er o b o tc o n t r o l l e ri s o n eo ft h em o s tc r i t i c a lf a c t o r sc o n t r i b u t i n gt ot h er o b o tp e r f o r m a n c e t h e p r o m p td e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h e w i d e s p r e a du s eo fi n t e r n e t ，h a sl e a dt ot h ep o s s i b i l i t yf o rs u c hr e m o t er o b o t m o n i t o r i n g ，m e a n w h i l e ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r er a i s e df o rt h ep e r f o r m a n c e o fr o b o tm o n i t o r e m b e d d e ds y s t e mi st h eb e s to p t i o ni n t h i s r e g a r d ， c o n s i d e r i n gi t sp o w e r f u lc a p a b i l i t yo fn e t w o r kp r o c e s s i n ga n dm u l t i - t a s k p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，a n da l s ot h ea d v a n t a g eo fi t sr e a l t i m ec a p a b i l i t y , c o s t ， p o w e rd i s s i p a t i o n ，s m a l l s i z e d ，a n dr e l i a b i l i t y i nt h i st h e s i s 3 p 。6 s sp a r a l l e lm e c h a n i s mr o b o to ft h r e ep r i s m a t i cp a i r s i sc o n t r o l l e dt om o v ea l o n gt h ep a r a l l e lg u i d ew a ys e to naf i x e db a s e a n a l y s i so nt h es t r u c t u r e sa n dp o s i t i o n so ft h e3 p 一6 s sp a r a u e lm e c h a n i s mi s d e m o n s t r a t e d o nt h i sb a s i s ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dr e m o t e m o t i o nc o n t r o l l e rs y s t e mi si n t r o d u c e d ：t h ep w ms i g n a l so u t p u tf r o m a r m 7e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rl p c 2 2 9 2i si n p u tt ot h es e r v od r i v e rt o 北京邮电大学硕士论文 m o n i t o rt h er o b o tm o v e m e n t t h ee t h e m e ti n t e r f a c eo ft h ea r m 9e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rs 3 c 2 4 1 0i s c o n n e c t e dw i t hi n t e r n e tt oi m p l e m e n tt h e r e m o t er o b o tm o n i t o r i n gv i ai n t e r n e t t h eb o t hp r o c e s s o r sa r ec o n n e c t e dt o t h ec a nb u st h r o u g hc a nb u si n t e r f a c e c o n s t r u c t i n gad i s t r i b u t e dc a n b u sc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hn o to n l yf u l f i l l st h er e q u i r e m e n t sf o r t h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，b u ti ti sa l s og o o df o rf u n c t i o n a le x t e n s i b i l i t y a sf o rt h e s o f t w a r ed e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n to nc a nb u sd r i v e ri si n c l u d e d b e s i d e s ， t h ea p p l i c a t i o nf o rr e m o t em o n i t o rd a t at r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e db a s e d o n t c p i pn e t w o r kp r o t o c 0 1 t h em o n i t o rs y s t e ms o f t w a r eh a sb e e n d e b u g g e du s i n gv i s u a lc + + 6 0o np c m a c h i n e s k e yw o r d s ：p a r a l l e lr o b o tr e m o t em o n i t o re m b e d d e da r m c a nt c p i p 电大学硕士做 声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：耋盔日期：圣竺呈壁：墨墨! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制于段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权节。 本人签名：童些 导师签名：耋龇 日期2 0 0 害量31 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 人类对器械自动化的不断追求，促使了机器人的产生和发展。从1 9 6 1 年美国推 出第一台工业机器人开始，5 0 多年来机器人技术得到了迅速的发展，被广泛应用于 工业、服务、医疗、卫牛、娱乐等各个领域，对人类的生产生活产生了深远的影响。 现代人们常说的机器人多指工业机器人，机器人的大臂和小臂以串联形式连接，因 而也被称为串联机器人。当串联机器人发展方兴未艾之时，1 9 7 8 年澳大利亚著名机 构学者h u n t 提出，可以用6 自由度s t e w a r t 平台机构作为工业机器人机构，这就是 并联机器人的雏形。并联机器人通常由两条或多条运动支链和上下运动平台构成， 运动支链和上下运动平台之间组成一个或多个闭环结构，通过各支链运动状态的改 变，使整个机构具有可操纵的多个自由度。并联机器人自出现以来，就以其具有的 刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比较小、动力性能好、反解模型简单、适 于实时控制等一系列优点，特别是它与目前广泛应用的串联式机器人在应用上的瓦 补关系，扩大了整个机器人的应用范围，引起了国内外机器人学理论界和工程界的 广泛关注，已成为机器人研究领域的主要研究热点之一。 从世界上第一台遥控机械手诞生至今，在这短短的几十年时间里，随着计算机、 自动控制理论的发展和工业牛产的需要以及相关技术的进步，机器人的发展已经历 了三代。机器人控制器作为机器人的核心部分，是影响机器人性能的关键部分之 一它从一定程度上影响着机器人的发展。同时随着人类对太空、海洋等领域的探 索和开发，人类在自身不能到达或对人体有害环境中的危险作业不断增加，促使一 些学者开始致力于机器人远程监控的研究如何利用机器人代替人类在特殊和危 险的环境中完成某些特定的任务。机器人远程监控的研究始于2 0 世纪6 0 年代【1 j ，近 些年来由于瓦联网技术的兴起和普及，人们可以利用i n t e r n e t 技术通过机器人与远程 环境进行交互，实现人们直接地远程参与活动。如今远程操作机器人的研究已引起 了人们极大的兴趣，这对机器人控制器的设计及性能也提出更高的要求。 远程控制从诞牛到现在已经有近六十年的历史，远程控制的发展受到了互联网 发展的深刻影响。其发展经历了由最初需特殊的操作站，专用线路和硬件设备到利 用瓦联网这一有效资源的过程。远程控制主要应用于危险环境或人们不易到达的地 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 区，如辐射区、地下采矿、水下运载和航空航天等，目前又扩展到勘探、导弹部署 和医疗等应用领域。 在机器人的远程监控中，不但需要采集机器人工作现场的图像数据以便观察现 场情况，而且要通过控制器来传达远端用户对机器人下达的复杂指令要求，另外不 同的机器人还有可能对现场数据( 如温度变化等) 进行获取和分析并传送给远端， 方便对机器人的下一步操控。这些任务有可能单独完成也可能同时进行，这就要求 作为机器人核心的控制器可以并行完成多重任务。同时，由于机器人作业应用具有 一定的特殊性，往往要求在现场工作的机器人系统具有良好的可靠性，能够在长时 间稳定工作，达到其应用场合的任务需求。而传统单片机不具备容错和应对突发事 件的能力，随着计算机硬件技术发展，嵌入式系统以其良好的实时性、低成本、低 功耗、小型化、专用化、高可靠性、强大的网络处理能力和对并行多任务的支持， 逐渐成为机器人远程监控系统的最佳选择。 1 2 机器人远程控制发展现状 1 9 9 4 年美国加州的k e ng o l d b e r g 与m i c h e a lm a s h a 将一个简单的二连杆装置连入 i n t e r n e t 建立了第一个远程机器人控制系统me r c u r yp r o i e c t ，用户通过远程控制一台 i b ms c a r a 型机器人，观察和挖掘埋藏于沙土中的藏品1 2 j 。不久后，1 9 9 4 年9 月西 澳大利亚大学的k e n n e t ht a y l o r 等人将一6 自由度的as e ai rb 2 6 型机器手连接到 i n t e m e t 上，机器人可以根据远程用户发出的控制请求来搬运和搭建积木1 3 】。继上述 两者之后，越来越多的科学家和研究机构投入到基于网络的机器人远程控制技术的 研发工作中，众多机器人控制网站相继开通，形成了网络机器人控制的高潮。这些 机器人远程控制系统一般是基于i n t e r n e t 的，这种基于i n t e r n e t 的机器人控制系统的控 制界面简单易用，访问者只需要通过浏览器上网，利用鼠标点击，即可轻松的控制 机器人。据n a s as p a c et e l e r o b o t i c sp r o g r a m 站点统计【4 1 ，已有2 0 多个远程控制机 器人连接于i n t e r n e t 上。其它的一些机器人远程控制系统还有英国布拉德福大学的 “r o b o t i ct e l e s c o p e 【5 1 ，这是一个基于w w w 的展示网上交互的机器人系统；英国 曼彻斯特大学的“f o r t yt w o 1 6 1 ，是一个基于i n t e r n e t 的移动机器人远程控制系统； 日本名古屋大学的一个基于i n t e r n e t 的互联网控制系统可以提供远程参观访问【_ 7 j ；加 拿大的r y e r s o n 科技大学的“m a x ”1 8 】，是一个基于无线网络的移动机器人远程控制 系统。瑞士联邦工学院的k h e p o n t h e w e b 【9 1 ，是一个基于w e b 的远程自主式移动机器 人系统。 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 近年来，我国8 6 3 高科技发展计划和国家自然基金会重点资助了与网控机器人方 面有关的项目，并且已取得了相关的研究成果。如中科院沈阳自动化研究所机器人 实验室、哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学等国内高校和科学院所都已开展了 基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统的研究。例如哈尔滨工业大学2 0 0 0 年完成了一项 通过网络遥控指挥机器人工作的国家8 6 3 计划项目，并且现在正在开展一项国家8 6 3 研究项目“基于i n t e r n e t 的多机器人操作系统”的课题 1 0 j 。随着机器人远程控制的迅 速发展，许多新的控制技术也被应用于其中，例如：北京理工大学机电工程学院研 制的小型地面移动机器人中采用a r m + d s p 作为控制系统1 1 1 1 。不仅实现了无线通讯、 遥控半自主式的机器人运动控制，在控制器的设计上还采用了嵌入式系统作为机器 人的控制器。天津师范工程学院研发的新型远程脑服务机器人，采用了远程大脑与 机器人本体上的小脑分工协作的控制体系结构的设计方案【1 2 1 。使机器人除具有传统 脑机器人远程控制的优点外，还将嵌入式a r m 7 系列的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为机器人本 体上的小脑，对机器人进行更加灵活的控制。 1 3 本文的主要工作 本文主要做了以下几方面的工作： 1 、对三个移动副沿平行固定在静平台上的导轨运动的3 p 6 s s 并联机器人结构 和位置进行了研究和分析。 2 、对整个机器人远程监控系统的控制器的软硬件的进行设计。 3 、设计了一种基于c a n 总线的分布式控制系统，应用于机器人远程监控系统 的控制器，并通过以l p c 2 2 9 2 为核心a r m 7 和以$ 3 c 2 4 1 0 为核心a r m 9 开发板的 c a n 总线接口进行了实现。 4 、对a r m 7 和a r m 9 开发板的c a n 总线驱动程序进行了开发。 5 、研究了t c p i p 协议，对控制器数据远程传输的应用程序进行了开发。 6 、利用串口技术通过v i s u a lc + + 6 0 在p c 机上设计了一个对c a n 总线进行调 试监控的软件系统。 论文的章节安排：第一章：课题介绍，分析了机器人远程控制国内外的发展现 状。第二章：对机器人远程监控系统进行整体架构，包括对3 p 6 s s 并联平台的结构 和位置的计算分析，嵌入式控制器的软硬件设计和机器人伺服控制系统的设计。第 三章：详细阐述了对c a n 总线分布式控制系统的设计与实现，包括硬件接口的设 计与c a n 总线驱动程序的开发。第四章：通过对整个系统的数据流向的设计，采 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 用t c p i p 协议通过网络套接字编成实现了远程控制应用程序的开发。第五章：利用 串口技术通过v i s u a lc + + 6 0 设计了c a n 总线调试监控系统软件，对系统进行检测 调试。第六章：对论文所做的工作进行了总结和展望。 北京邮电大学硕士论文第二章并联机器人远程监控系统架构 第二章并联机器人远程监控系统架构 整个系统由：3 p 6 s s 并联机器人平台、伺服系统、摄像机、运动控制器和用户 端p c 机组成。3 p 6 s s 并联机器人平台是被控对象，也是命令的最终执行者；伺服 系统接收控制器的控制信息，驱动机器人运动；摄像机用来采集机器人工作现场状 况的视频；运动控制器实现远程控制命令和数据信息的交互传输，同时完成视频信 息处理和传输：用户端p c 通过o p e n g l 进行运动学仿真，根据机器人的结构和位 姿参数进行反解计算，获得控制电机的转数，规划运动轨迹，使并联机器人的动平 台到达要求的位置。并联机器人远程监控系统整体结构图如图2 - 1 所示： 摄像机 l l i 、。 l i it e r 丌：t 控制器 _一而赢 、 、 、 妒c ，栅_ 用户 图2 1 远程监控系统整体结构图 2 1 三平动并联机构平台的介绍 我们所采用的并联机器人是一种如图2 2 所示的3 p 6 s s 并联机构平台构型，二 个移动副沿平行固定在静平台上的导轨运动的3 p 6 s s 并联机构实物如图2 3 所示： 北京邮电大学硕士论文第二章并联机器人远程监控系统架构 图2 - 23 p 6 s s 并联机构设计图 图2 - 33 p 6 s s 并联机构实物图 2 1 1 三平动并联机构平台的结构分析 三平动并联机构平台的结构简图如图2 4 所示。该机构由动平台、静平台、二 个滑块和六条连杆组成。动平台为正六边形，静平台为正三角形，三个滑块的轴线 分别与静平台的二条对角线重合，连杆a i b i ( i - 1 ，6 ) 两端通过两个球铰链分别与 动平台和静平台上的三个滑块连接。每条运动支链由2 根连杆、4 个球面副和1 根 导轨组成，在理论上成平行四边形。三条运动支链在空间中呈对称分布。 北京邮电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 图2 4 三平动并联机构平台的结构简图 由图2 - 4 可知，并联机构平台是由1 1 个构件、1 2 个球面副、3 个移动副组成。 每个连接动平台与滑块之间的连杆都存在一个绕自身轴线转动的局部自由度，所以 该机构的局部自由度为6 。机构的自由度： f = 6 ( 刀一g 一1 ) + = 6 ( 1 1 1 2 3 1 ) + 3 1 2 + 1 3 6 = 3 三个滑块沿轴线移动，通过连杆带动机构动平台做平动。 2 1 2 三平动并联机构平台的位置分析及反解研究 并联机器人的运动学问题可分成两个子问题：正向运动学问题和逆向运动学问 题。当给定并联机器人上平台的位姿参数，求解各输入关节的位置参数是并联机器 人运动学位置反解问题；当给定并联机器人各输入关节的位置参数求解上平台的位 姿参数是并联机器人的运动学正解问题。对于并联机器人来说，其逆运动学问题非 常简单而正向运动学问题却相当复杂。而位置反解的计算正是我们对机器人运动进 行轨迹规划的依据，进而通过控制器驱动电机，控制机器人按照规划的轨迹进行运 动。 分别取球铰链中心点连线a 1 a 2 、a 3 凡、a 5 氏的中点为c 1 、c 2 、c 3 ，b l b 2 、b 3 8 4 、 b 5 8 6 的中点为d 1 、d 2 、d 3 。在滑块球铰链中心所构成的平面a 1 a 2 a 3 a 扯5 a 6 上建立 固定坐标系o x y z ，动平台上建立一个动坐标系0 1 x l y l z l ，o 、0 1 分别与平面 北京邮电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 a l a ，a 灿氏和动平台的几何中心重合，过o c l 作固定坐标系x 轴，过0 1 d 1 作动 坐标系x 。轴，如图2 4 所示。设动平台几何中心点到球铰链中心连线中点的距离 o i d i ( i = 1 ，2 ，3 ) 为r ，连杆a i b i ( i = 1 ，6 ) 的长度为l m ，o c i ( i 1 ，2 ，3 ) 在固定坐标 系中的方向为u i ，长度为d i ；滑块上球铰链中心连线中点c i ( i = 1 ，2 ，3 ) 在固定坐标 系中的坐标为c i ；动平台上球铰链中心连线中点d i ( i - 1 ，2 ，3 ) 在动坐标系中的坐标 为d i ；动坐标系相对固定坐标系的位移矢量为p = 【xyz 】一。 由并联机构平台结构可知： h f = 【c 2 ( i 一1 ) p 3 s n2 ( i 一1 ) p 3 o - f d f = r c o s2 ( i 一1 ) p 3 s n2 ( i 一1 ) p 3 o y ( i = 1 ，2 ，3 ) 当给定动坐标系相对固定坐标系的位移矢量p 时，有如下关系式： c 1 2 f ：= d ( d f 口i f + p - c i ) - ( d i ( + f ；p 1 - ，2 c ，i 3 ) ) ( 2 1 ) c f = d f 口f ( f 一1 ，2 ，3 ) 、一7 由式( 2 - 1 ) 展开得： 2 d t p 一2 ( d j f ) r p 一2 ( d f f ) rd f + ( d f u i ) r ( d f i ) + d r id f + 尸r 尸一，三一0 ( f - l ，2 ，3 ) 则可得并联机构平台的反解方程为： d ，：二垒i 3 压三三互 2 a f 式中 口f = u r iu j ( f = 1 ，2 ，3 ) b i 一一2 u t p 一2 u r id f c t = 2 d ：p + d t d i + p tp t ： x l 矢量或矩阵x 的转置 将所有已知条件代入式( 2 2 ) 整理可得： e q l = d 孑一2 d 1 ，+ r 2 一z 三一2 d l x + 2 r x + z 2 + y 2 + z 2 = 0 e q 2 ：d ；一2 d 2 ，+ ，2 一瑶+ d 2 z 一肮一动2 y + 劢+ 石2 + y 2 + z 2 。0 p 吼= d 孑一2 d 3 ，+ r 2 一层+ d 3 z r x + - - 3 d 3 y 一抑+ x 2 + y 2 + z 2 = 0 根据式( 2 3 ) n - j 得并联机构平台的反解为： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 拣眦大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 d 。：厂+ y + 以再 d ：。牟2 r y + 虱+ ( 一印z 一2 怕匆一z z 一4 z ：) j 1 】 d ，：2 卜) ，一届+ ( - 3 y 2 + 2 x - 3 x y z z 一4 z ：) _ 】1 根据此式，给定x ，v ，z 的轨迹曲线即可进行轨迹规划。 2 2 控制器的设计 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 整个控制器主要实现现场视频数据的处理与传输，用户端与机器人数据的交互 传输功能。控制器既要与远端用户进行数据的交换，又要与驱动机器人的伺服系统 进行数据的交互传输。从可调试、可重用、可扩展等方面考虑，整个控制器采用模 块化设计。由远程传输模块和运动控制模块两部分构成。每一个模块都具有独立的 处理器，并通过分布式总线相连，构成一个以分布式控制系统为核心的运动控制器。 如图2 5 所示。而系统的监督功能( 即视频数据的处理与传输) 可以通过将视频采 集器件与远程传输模块的相应接口相连来实现。由于控制器采用两个处理器，所以 我们希望所用的处理器除了在工作性能上满足要求外，其体积要尽量小巧，功能要 尽量简化。通过调研，我们决定选择当前流行的嵌入式系统来实现控制器的设计。 图2 - 5 控制设计原理图 北京由b 电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 2 2 1 嵌入式系统简介 1 、嵌入式系统定义 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助设备、机器和车间运行的装置 ( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n tm a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。上述定义并不能充分体现出嵌 入式系统的精髓。目前国内普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为 基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格 要求的专用计算机系统1 1 3 】。可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合 才会具有生命力、才更具有优势。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的 具体应用相结合后的产物。 ( 3 ) 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功 能、可靠性、成本、体积等要求。 2 、嵌入式系统的特点【1 4 j 从上文的定义可以得出嵌入式系统所具有的几个重要特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的专用性很强，其中的软件 系统和硬件的结合非常紧密，一般需要针对硬件进行系统的移植。同时针对不同的 任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改 和通用软件的“升级”是完全不同的概念。 ( 2 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其 功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统 安全。 ( 3 ) 高实时性嵌入式操作系统。这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态 存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 ( 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 嵌入式软件开发走向标准化。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统 函数以及和专家库函数接口，用户必须白行选配r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件 质量。 拣髓大学硕士敝 第二章并吼器朊程监繇统架构 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时 往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开 发时需要交替结合进行。 3 、嵌入式系统的组成 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。 专用硬件包括嵌入式处理器、存储器和i o 端口及外围设备等。其核心是嵌入式 处理器。从功能上，嵌入式系统的处理器主要分为四类：嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 1 1 5 1 。 目前常用的嵌入式处理器有x 8 6 、p o w e r p c 、m i p s 、a r m 等系列。 软件是实现嵌入式系统功能的关键，包括嵌入式操作系统和应用程序。有时设 计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统 控制着应用程序编程与硬件的交互作用i ”1 。嵌入式操作系统作为一种支持嵌入式系 统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分。它包括与硬件相关的 底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口等，嵌入式操作系统具有通用操作系统的 基本特点，与通用操作系统相比，在系统实时高效性、硬件相关的依赖性、软件固 化以及应用的专用性等同方面具有突出的特点【1 引。常用的嵌入式操作系统有如下几 种：商业的w i n c e 、v x w o r k s 、s y m b i a n 、p a l m 等；开源的l i n u x 、u c l i n u x ，、u g o s i i 等；国内的d e l t ao s 、h o p e n 等。 2 2 2 控制器硬件设计 1 、嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器是嵌入式硬件系统中最核心、最关键的部分。对于一个嵌入式系 统，到底选择何种嵌入式处理器( 内核) 主要取决于它的应用领域、用户需求、成 本问题、开发难易度等因素，表2 - 1 列出了几种常见嵌入式处理器的特性。 表2 - 1 嵌入式处理器对照表 处理器类型处理器价格 主要性能及应用 a r m 低 功耗低，适合个人便携式设备、数字消费类产品 d r a g o n b a l l 低 速度低，主要用于个人数字助理( p d a ) 北京邮电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 单位附加值小，市场小；主要用于通信、网络等 p o w e r p c 高 设备，特别适合于应用在对性能要求高的产品 一种特别适合于数字信号处理的处理器，其主要 d s p 高 应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 根据我们的实际需求，结合上述处理器的选型原则及综合上述比较，对于本系 统我们选择性价比较高的a r m 系列处理器较为合适。 a r m 处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o e 、s e c u r c o r e 、i n t e l 的 x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 几个系列【1 5 j ，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外， 每一个系列的a r m 处理器都有各自的特点和应用领域。其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用的处理器系列。 由于控制器的设计采用两个模块来实现，不同的模块实现不同的功能。根据不 同的应用我们可以选择不同系列的a r m 处理器，为保证每一个模块功能的最优实 现，我们对这两个功能模块分别选择了不同系列的a r m 处理器。我们选择技术比较 成熟、资料比较丰富、用户比较广泛的a r m 7 t d m i 处理器作为运动控制模块的核心 处理器，而选择性价比较高，具有更高的指令和数据处理能力的a r m 9 2 0 t 处理器用 作远程控制的实现和视频数据的处理和传输。两款处理器可通过c a n 总线接口与分 布式c a n 总线连接。控制器的硬件连接如图2 6 所示： 嵌入式控制器 、 、 u s b 劐 | c a n 銎c a n a r 拗m 7 z 叵 j。a r m 9i 鲭缝 以太 s 3 c 2 4 1 0 曩蓄ca n 詹线网绍 网接 口 、 图2 - 6 控制器硬件连接图 2 、l p c 2 2 9 2 微处理器简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u ，并带 有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接e l 和独特的加速结 构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 一位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 9 2 采用 北京邮电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、4 路高级c a n 通道、p w m 通道以及多达9 个外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系统、 访问控制和故障容限维护总线等应用领圳1 7 l 。由于l p c 2 2 9 2 内部集成了c a n 控制 器，只要将c a n 接口通过q 埘收发器连接于c a n 总线，就可以进行c a n 通信，从而 简化了系统设计的复杂度。同时将3 路p w m 作为电机驱动的输入。 3 、h h a r m 9 e d u 嵌入式开发板介绍 h h a r m 9 e d u 嵌入式开发板，是华恒公司推出的一款以三星公司生产的采用 2 0 3 m h za r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器为核心开发板。它具有低功耗高集成度的 特性【1 8 】。 该板由核心板和底板( 或称基本板和外设板) 组成。核心板上集成s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器，6 4 ms d r a m 以及1 6 m 的f l a s h ，为应用研发提供了足够的空 间。 底板是核心板功能和外设的扩展，系统外扩的功能接口有：i o i o o m 白适应以 太网接口：用于和网络进行通信及数据传输；四线r s 2 3 2 串口( c o m l ) 一个：用 来进行目标板的调试及交互；四线r s 2 3 2 r s 4 8 5 g p r s 串口一个：为将来进行无线 控制预留的接口；u s bh o s t 接口一个：用来连接u s b 摄像头，移动存储等；t f r l c d 接口：用来显示数据和开发板状态；c a n 总线接口：用来与c a n 总线通信。 核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处 理能力强等特点，方便机器人装载。 2 2 3 控制器的软件设计 嵌入式系统的软件设计包括：嵌入式操作系统的移植、硬件驱动程序和上层应 用软件的开发移植。 对于一个搭建好的嵌入式系统硬件平台，需要为它选择一个合适的操作系统。 来对系统的软硬件资源进行分配、回收、控制和协调管理。尽管对于嵌入式硬件来 说操作系统不是必需的。如果嵌入式系统的功能比较简单，则嵌入式软件只需要完 成比较简单的功能，就不需要嵌入式操作系统地支持。但有了嵌入式操作系统的帮 助，可以加快嵌入式系统软件的开发进度和可靠性。 下面简单介绍两种常用的嵌入式实时操作系统： 1 、嵌入式l i n u x 操作系统【1 9 i 嵌入式l i n u x 操作系统价格低廉、功能强大又易于移植正被嵌入式系统广泛采 北京邮电大学硕士论文 第二章并联机器人远程监控系统架构 用。l i n u x 嵌入操作系统是一个与u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保护、多 任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件：包括x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、m i p s 、 p p c 、a r m 、n e c 、m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。程序源码全部公开，任何 人可以修改并在g n u 通用公共许可i i e ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行。这样， 开发人员可以对操作系统进行定制，再也不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中“后 门”的威胁。同时由于有g p l 的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分 裂之路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过i n t e m e t 向网上成千上万的l i n u x 开发者请 教，这使得最困难的问题也有办法解决。l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工 具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大 的网络功能，有多种可选择窗e 1 管理器( x w i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、 g + + 等也可以很容易得到。不但成熟完善，而且使用方便。由于l i n u x 微内核直接提 供网络支持，而不必像其他操作系统要外挂t c p i p 协议包。所以我们选择嵌入式 l i n u x 操作系统作为机器人远程传输模块a r m 9 微处理器的操作系统。 2 、u c o s i i l 2 0 】 u c o s i i 是一个源代码公开、可免费使用的嵌入式实时操作系统。在世界范围 内得到了广泛的应用，包括交换机、路由器、过程控制、汽车业、办公自动化、计 算机外设以及民用消费品类产品等诸多领域，被相关机构证实具有非常稳定、可靠 的性能。同时，它的源代码公开，可以从w w w u c o s i i c o m 网站上获得全部源码。 u c o s i i2 0 版以上的内核都具有可抢占的实时多任务调度功能，它还提供了许多系 统服务，例如信号量、消息队列、邮箱、内存管理