（生物医学工程专业论文）管道机器人的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) a b s t r a c t p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ca t t e n t i o nt 0t h e i rh e a l t l l ，a l g 、v i t ht i l ed e v e l o p m e n t o fe c o n o m y a tt l l es a m et i m c c o n t 豳t i v cc e n t r a la i r - c o n 曲i o n i i i gi sb e c o m i n ga t h r c a ta g a i n s tp c o p l e sh e a l t l l t h ci n s p e c t i o na l l dd e a n i n go ft h ec 七n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gi s 锄p h 舔i z e dm o r ea i l dm o r cb yt h es o d e t y ，e s p e c i a l l yf o rt h e a j t i d u c t 1 1 l et e s e a r c ha n d 印p l i c a t j o no fa i r - d u c tr o b o to fc e n t r a la i f 露室季； j n 鬟菲蓁享堪 x 浙r 广；尘学i 军t 孚南i ；i i ! ； 纛器弱窆蒿餐m 萋| 露u 矗矗l 哥薹弱日丢羹i 舞f 是；鬻蒌| 垂曼；i 薹星l ；尊韩l 嚣 嚣誊l ；襄r ：；j l l _ 五 鞣骜；莹；5 嚣 i i 醴矗目薏j i 謦謦静c 彗l 萄訇妇堂匡壁珏3 谨= 囊；! ；目毛箍壤亓：蔓垂i 目露二 嬲j i h 冀1 专复| 訇誊；i i i 乌碧痞弹；争争i l l 錾；2 蓦盏呈呈薹l 攀k i 蕈；塑l 垦霆翼i j lm 薯薯萋；曩；靼苎玉耋i i i i ，巍堇k ；d 舀嚣；彝；薹驻荤 瞠蒌蝽珏辑l 蕈 二曼l 蠢a 羹已墓，“事i 一；h - 芒j 蒋l 目 接直l 矍瞪l 封黧蕈嚏优i 冀鞫篓鞋羔“q | ；拧再亳| o j 萼娃l 瞻誉 茼器重l 疆。i 髯d 訇；1 l 是蚕嚣! 塞嗣 鲴；i 耋耋蠢 一鞲蓄i d 日磊l 警爹 圣圣c c 释博；篓鼙| ! i i 器封嚣i i 嚣姜l ：j 妻型毳l 差妻茎里弱i f 尊l 毳i i 露室季； j n 鬟菲蓁享堪 x 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 绪论 1 1 研究背景 随着我国经济的发展，生活工作节奏日益加快，人们在对生活和工作的要求 越来越讲究的同时，对居住、工作环境的改善也越来越重视。由于空调系统不能 得到及 x 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 综合征”征兆1 2 j 。 清洁的、管理得当的中央空调系统可以排除和稀释污染物，对改善室内空气 质量有积极的意义。所以，中央空调系统主宰着现代楼宇的空气新陈代谢，是建 筑物名副其实的核心器官肺”。但同时，我们要看到，管理和使用不得当、 清洗不及时的中央空调系统，反而是产生、诱发和加尉空气污染，从而弓 起不良 建筑综合症和相关疾病。 美国环保局、丹麦技术大学等机构在美国和欧洲的调查结果表睨，空调通风 系统由于长期运行、清洁不当等原因，室内空气污染来自于空调通风系统的占 4 2 5 3 ，通风系统内主要污染物为颗粒物和微生物【1 j 。 中央空调的通风系统是长期积累下来的卫生死角，其面积远远大于我们平时 能够清洗到的机组面积。长期得不到清洁的风管为有害物质提供了安稳的环境， 它们会不断滋生病菌并随着四通八达的风管在室内广泛传播，在空调内部造成空 气二次污染。目前大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，它们最多只能过滤空气 中4 0 的可吸入颗粒物，一半以上的可吸入颗粒物会进入中央空调系统i “。一方 面，这些可吸入颗粒物有可能成为病毒的载体，使病毒在空调风管内流动传播， 因此产生交叉感染。另一方面，颗粒小的可吸入颗粒物相互联结成为大灰尘，积 累在风管系统的底部和拐角，它们日积月累便滋生了微生物。 风管系统中可能存在的这些病毒和微生物在风机的作用下被送到室内各处， 更为严重的是这些被污染的空气有可能被回风系统吸回风管系统，经过简单处理 后又再次排出，客观上浓缩了有害气体和物质，使得室内空气质量的污染程度比 室外严重2 5 倍。 用显微镜分析从中央空调通风系统内采集的粉尘、污垢样本得知，它的主 要成份为尘土沙砾、碳类物质、结晶体、纤维、涂料片、真菌、病毒微生物以及 腐蚀掉落的风管内壁材料等( 见下图) ，此外还有一些昆虫的尸体混杂在其中。 一旦灰尘当中附着有缨菌、真菌、酵母等微生物时，也就很容易使入患过敏或是 呼吸系统疾病i ”。 据了解，中央空调的污染物主要有四种：( 1 ) 生物污染，包括细菌、霉菌、 花粉、藻类、植物、昆虫、原生动物、病毒等，可引起过敏、螨虫病；( 2 ) 化 学污染，包括挥发性有机物、一氧化碳和臭氧等； ( 3 ) 物理污染，包括外界的 4 浙江大学硕士学位论文( 2 q 尘埃、煤灰、烟灰、重金属、水泥灰、金属灰、油污等。( 4 ) 其他微生物，除 了军团菌和螨虫外，长期不清洗的中央空调是许多病毒、病菌的温床，它们被传 播到空气中，形成各种生物污染f 3 1 。 图1 1中央空调风管系统积存的污垢 1 1 2 中央空调通风系统会导致的病症 建筑物空调通风系统所造成的人体健康危害和疾病可达几十种。根据其对人 体的危害程度、疾病的性质、致病的病因大致可分为三大类：( 1 ) 急性传染病 ( 如军团病、s a r s ) ： ( 2 ) 过敏性肺炎、加湿器热病、哮喘等过敏症； ( 3 ) “病态建筑综合症”【4 l o 1 急性传染病 中央空调空调系统由于缺乏清洗和管理不得当，容易导致的急性传染病主要 包括军团病和s a r s 。 军团病( k 百o n e l l o s i s ) 是嗜肺军团菌和米克戴军团菌所致的急性呼吸道传 染病。【司其于1 9 7 6 年美国费城召开退伍军人大会时暴发流行而得名。北美、欧洲、 亚洲和非洲许多国家( 包括中国) 发生过，死亡率5 一3 0 。我国自1 9 8 2 年以 来南京、北京等地相继报告有本病出现。空调的开放式冷却水系统、冷冻水膨胀 水箱和冷却塔补给水箱，由于温度和湿度合适，都是军团菌及其环境宿主繁殖的 理想场所。军团菌通过通风管道传播到空气中，而感染易感人群吼 2 0 0 3 年春季爆发了大规模的s a r s 疫情，病毒对人类造成了严重的危害。s a r 塑垩查兰堡主兰堡堕苎堡竺虫 s 一一严重急性呼吸综合征，传染方式以呼吸道传播为主l 捌。它依靠空气中的可 悬浮颗粒作为传播载体，因此四通八达的中央空调风管系统中积累的大量灰尘杂 质成为了入们的健康隐患。在香港，陶大花园3 2 1 例病例的集体爆发显示出s a r s 传播具有很强的空气传播因素，而加强通风系统清洁是预防疾病的重要措施。对 此卫生部、建设部、科技部等权威机构都非常重视，并出台规范指导通风系统清 洁。 2 过敏性疾病 许多装有中央空调的楼宇，长期不开窗通风，气候转暖后，空调中滋生一些 微生物如螨虫，在空气中飘浮，有的人吸入后也会引起过敏。随着天气的转暖， 一些小昆虫如白蛉、小蠓等也开始活跃起来。这些小昆虫钻进人的身上叮咬人的 皮肤，包括它们的分泌物沾到人的身上，都会诱发丘疹性荨麻疹。而中央空调管 道堆积的花粉、尘螨、病菌亦会诱发过敏性哮喘。 3 病态建筑综合症 病态楼宇综合症( s i c kb u i l d i n gs y n d m m e ) 发现于2 0 世纪7 0 年代，在发达 国家的某些办公室工作人员中，出现了一些非特异症状，主要表现为：眼、鼻、 咽喉干燥，全身无力、不适，容易疲劳，经常发生精神性头疼、记忆力减退等用。 导致“病态楼宇综合症”的原因多种多样，而中央空调在诱发“病态楼宇综 合症”时扮演的角色尤为重要。而预防“病态楼宇综合症”的最佳方法，是每隔 两至三年对中央空调系统进行一次彻底清洗，并及时更换年久失修的设施。 1 1 3 中央空调系统定期清洗的必要性 中央空调系统如果清洗不及时，具体带来的危害如下所示： 1 、空气置换效果较差：使用中央空调的环境大多数为封闭、半封闭空间， 室内空气循环利用，空气的清洁程度依靠空调本身的过滤和定时输送适量新风来 维持，因此相对室外空气来讲新鲜度较为浑浊f 8 】。 2 、积尘诱发细菌滋生：由于中央空调是通过密闭的风道及出风口将处理后 的空气送入房间，而室外空气中各类悬浮颗粒物不能完全被空调过滤装置所阻 隔，因此微细灰尘便容易进入风道并黏附在风道内壁上，再加上大多数风道都比 较狭小，日积月累便形成大量积尘。积尘极其容易滋生各类有害的微生物，如： 病毒、细菌、内霉素、真菌、军团菌、冠状病毒等【9 j 。 塑垩盔兰堡主兰篁堡苎5 1 塑 3 、寄生物和昆虫的摇篮：风道大多布置于楼宇吊顶板内，并且风道内四季 温度、湿度比较适宜，因此常常成为寄生动物和昆虫的活动场所。 ( 如：老鼠、 蟑螂等) 。据上海报道，上海某大厦清扫中央空调风道一共清扫出两吨垃圾，其 中有大量的老鼠昆虫尸体【9 1 。 4 、耗隧增加，制冷、制热效果差：空气在风道内流动，出于粘性及流体的 相对运动，因而产生了摩擦力，空气在风道内流动过程中，就要克服阻力而消耗 能量：风道随设备年限的不断增加，它的表面会依附着大量的灰尘，破坏了流体 在风道内的层流状态。同时又形成了滞流现象，增加了摩擦力，使风力受阻，风 机的负载增大，机组能力下降，设备使用寿命会降低，能源的消耗不断增加1 9 】。 5 、另外，还容易导致精密机器发生故障、风管发生火灾等、商品污染等危 害f 1 0 】。 而另一方面，中央空调清洗能带来五大明显效果：( 1 ) 保护设备、延长使 用寿命；( 2 ) 减少事故发生，改善制冷效果；( 3 ) 节约用电、用水并节约燃料； ( 4 ) 符合国家环保要求；( 5 ) 有利身体健康。 因此，中央空调的定期清洗是非常必要的。国家有关部门这几年，尤其是非 典爆发以后，逐步加强对中央空调系统卫生的监督和管理，若干条文法规已经发 布，在未来几年还有相关规定推出。2 0 0 3 年6 月3 0 号，国家质监局颁布了 2 0 9 m 2 为 严重。其中7 8 的送风系统和5 7 的回风系统积尘量属严重污染。4 4 的送风系 统和4 3 的回风系统细菌总数 = 1 0 0 0 0 c f i l g ，属中度污染。4 4 的送风系统和5 7 的回风系统积尘中霉菌总数 = 3 0 0 0 c f i l g ，属于中度污染【1 3 1 。 2 0 0 4 年上半年卫生部曾对全国6 0 多个城市9 x 塑垩查兰堡主兰堡垒奎垡塑 一一 曲过多，则在推送软轴时将十分吃力，因此实现不了清洗的目的；( 3 ) 由于清 洗装置的推进需要依赖于操作工人，因此所需工人数量过多，同时过长的软轴存放也是个难题。 图1 3 管道机器人清洗示意图 图13所示为利用管道机器人清洗中央空调管道的示意图，其基本原理和图 1 2 所示的传统方法十分相似。区别在于改变人工手动推送吹扫装置的方法，取 而代之，由机器鲐簖蠢鞴崮墨彳并国法醛妊鬈醛挂船羚叫曰? 弧铲曩毽滢燮蓄嚣 魈；麓醛酬黯髫剡；础疆础坚趔滢埝塑增雌硝器嵩删矬舞。荆圳量尉翻袒矧 型k 引嵩劓。呈餐别攀蒹落型孓塑篌藿螽髦；蛳龌鲢辩壁燮耄滔璎粥j 瞪嗡熏必 剽器鲫瞍羹藻濯灌燃髻嘴涩墨菰副裁裂孽剽些圳鼎。娶鲁揩卵焦雪垫剡拦莹型里 篙滔苇瀚，箭帚丽? 金 9 2 翼蓑瓣磺和薹矧翮赫烈羹 仰动作。c c d 具 有可变焦距、光圈、快门等功能。可拍摄高清晰动态图像。并以数字视频文件的 方式记录1 6 x m 云台的草图 云台的草图如图2 3 所示。底板安装在行进机构上，而回转板则用来安放摄 像头、清扫装置以及消毒喷枪等。云台可水平转动3 5 5 0 ，垂直转动1 铲。水平转 动部分由于考虑稳定性，尺寸比较大，所以采用平面滚珠轴承。考虑到机器人防 尘问题，在转动和固定件之间采用了迷宫式防尘结构。垂直转动由于要求转动较 小，所以采用了凸轮机构。 2 功能模块 a 1 行进模块和云台模块 行进模块承载管道机器人的所有模块。是整个管道机器人的基础，其它功能 模块都安装在行进模块之上。它为管道机器人提供行进的动力。目前，管道机器 人的行进往往采用轮式、履带式为主，为了获得更大的摩擦力，我们采用双履带 式，左右两侧履带各由一个电机驱动，电机配置在行进模块的对角线位置，这样， 控制两个电机同向等速转动，就可以实现管道机器人的前进、后退，控制两个电 机反向转动，可以实现管道机器人的左转、右转。由于电机参数的离散性，以及 机械装置的配合差异，安装后两侧电机的转矩存在偏差。在设计时，考虑此问题， 在两侧电机安装位置设计了调节机构，调节电机与履带间的松紧程度，以保证两 侧负载相等。 图2 4 行进模块侧视图( 左) 和前视图( 右) 图2 5 安装旋转模块的管道机器人的侧视图( 左) 和前视图 浙江大学硕上学位论文c 2 0 0 6 ) 位于机器人前端的铲子用于采集管道内的积尘或其它异物，一方面通过铲里 的积尘或异物分析管道的病菌含量和种类。另一方面定量测量管道的平均积尘 量。在铲操作时，前向摄像机与铲斗箍动，可以直接观察铲斗前端的状况。 图2 8 铲除模块侧视图( 左) 和前视图( 右) 检测模块依赖c c d 摄像机获取风管内部图像。摄像机可随管道机器人行进模 块在风管内灵活运动。可实现水平方向3 5 5 0 旋转和5 。的俯仰动作。c c d 具 有可变焦距、光圈、快门等功能。可拍摄高清晰动态图像。并以数字视频文件的 方式记录图像。 位于机器人前端的铲子用于采集管道内的积尘或其它异物，一方面通过铲里 的积尘或异物分析管道的病菌含量和种类，另一方面定量测量管道的平均积尘 量。在铲操作时，前向摄像机与铲斗随动，可以直接观察铲斗前端的状况。 m 消毒模块 消毒模块完成喷洒消毒液功能。喷头安装在管道机器人的旋转或者俯仰装置 上，因而喷洒操作可以实现水平3 5 5 。内的旋转和5 。的俯仰动作。提高操作效 率。 1 7 浙江丈学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 2 2 控制系统 fm 卜 甲1 竺竺l fm 卜一 l l j 厂 广 电缠 卜 i 电路r 1 ” 1 l 一 ；m 卜一一 o 一l r 向 叮一 r 二- 二1 廿l 辱 = = = = 2 从控制器 车戟系统 图2 9 控制系统的系统结构图 1 车载系统 车载系统主要包括电机、摄像头、高亮度l e d 灯、从控制器以及l 2 9 8 h 桥驱 动芯片等。 行进电机采用m a x o n 的a m a 】【d 3 2 石墨有刷直流电机，标称值2 0 w ；云台电 机采用r e m a ) 【d 1 7 金属有刷直流电机，标称值2 5 w ；铲电机采用a m a 】【d 1 6 石墨 有刷直流电机，标称值2 w 。电机的驱动由l 2 9 8 h 桥驱动芯片完成，后者的输出 功率可达4 0 w 以上，完全满足电机的功率要求。 车上装配两个彩色摄像头，一个采用s o n yf c b e x 4 8 0 一体化摄像机，用于 观察管道飞灰和管壁污点霉点，该摄像机有效象素为7 5 2 ( h ) x 5 8 2 ( w ) ，水平解像 度为4 8 0 1 v 线，同时具有1 8 倍光学变倍，1 2 倍数字变倍，最低照度达o 0 1 流明； 另外一个采用f o l i c e 的f o s 2 9 0 c d 针孔微型摄像机，用于辅助机器人行走以及取 样铲的操作，该摄像头的成像器件为1 3 英寸s h r a p 彩色c c d ，有效象素为5 0 0 ( h ) x 5 8 2 ( v ) ，最低照度达0 5 流明。在两个摄像头的旁边各安放一个高亮度u d 灯，功率达5 w ，亮度达1 0 0 流明以上。 从控制器由”c 2 1 3 6 、e p m 5 7 0 t 1 0 0 以及也9 8 组成。它主要的功能是响应主 控制器的命令，通过l 2 9 8 对机器入的行走、云台动作、铲动作等进行控制，同 1 8 塑垩茎兰堡主兰垡笙壅! ! ! 堕 时通过串口与s o n yf c b e x 4 8 0 一体化摄像机通讯，以便控制其焦距等参数。另 外，从控制器还统计机器人的速度、位移、云台速度以及所在角度等信息，并向 主控制器反馈这些信息和机器入的状态。 2 控制箱 控制箱主要包括主控制器、操纵箱、视频服务器、l e d 面板等。 主控制器主要由l p c 2 2 1 4 和外围器件组成。它主要任务是响应p c 图像终端的 命令，以及操纵箱的操作，协调处理后，向从控制器发送控制命令。同时把从控 制器反馈的信息反馈给p c 图像终端。另外一方面，通过l e d 面板指示机器人的 状态、通讯状态等。 操纵箱主要包括控制面板、两个3 轴手柄、两个电位器( 用于调节灯光亮度) 、 灯开关、紧急开关( 用于切断电机供电) 等，是使用者操作机器人的主要平台。 视频服务器的主用作用是采集两路视频信号，转换为数字信号，并进行编码 压缩，压缩码流通过网络进行传输，通过网络可以实时视频预览和录制。 3 p c 图像终端 p c 图像终端按其功能分，可以分为三个模块视频处理模块、机器人控制模 块以及通讯模块。视频处理模块负责与视频服务器通讯，获取视频压缩码流实现 视频预览，必要时对视频进行录制。机器人控制模块负责响应按钮；通过通讯模 块与主控制器通讯，实现对机器人的控制；显示机器人的行走速度和位移信息。 通讯模块通过串口或者网络向主控制器发送命令，或者接收主控制器的状态包。 2 3 研制中遇到的问题和解决方法 管道机器人的研制涉及机械、硬件和软件多方面的协调配合问题，研制过程 中遇到许多困难和问题。这些问题包括： ( 1 ) 机器人的尺寸问题。由于国内的中央空调风管并没有规范化，因此不 同地方所用管道的尺寸并不相同。公共场所集中空调通风系统清洗规范规定， 需要清洗的管道的最小高度为1 8 0 帅。因此机器人设计须考虑不同规格风管的要 求。然而，减小机器人尺寸的同时，摄像头的尺寸、电机的尺寸以及车载控制器 的尺寸也受到了限制，这又与对摄像头、电机的性能和车载控制器的功能要求构 成矛盾。 ( 2 ) 机器人的动力问题。在中央空调管道中，受限于屏蔽作用，采用无线 1 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 的通讯方式是不现实的，同时又十分不可靠的。所以，采用有线的形式。考虑中 央空调管道的长度，线长设计为3 0 米。要拖动3 0 米以上的电缆，电机要提供一定 的扭矩，同时又要保证一定的速度，这对电机的功率和效率要求严格。而且，限 于车身体积，电机体积得适中，这又与功率要求形成了矛盾。 ( 3 ) 机器人直线行进中的偏差问题。行进中由于左右电机的负载差异，电 机本身参数的差异等因素，会造成机器人行进中的走偏问题。当偏差明显时，会 给机器人的操控带来不便，尤其是在管道中摄像头的视野有限。同时考虑到定量 检测的需求，机器人必须在一定精度上能保持直线行走。 ( 4 ) 摄像头问题。机器人最主要携带的机构是摄像头，这是观察和检测空 调管道的必要手段。然而，一些如疾病控制中心等单位机构对于摄像头要求严格。 他们希望摄像头具有更细致的观察力，能观察近处甚至是远处局部管壁的斑点。 这就要求摄像头有焦距等光学参数可调的能力，因此，摄像头的体积会比较大。 这使得承载摄像头的机械结构体积不得不增大，这与机器人的尺寸限制形成矛 盾。 ( 5 ) 照明问题。由于中央空调管道缺乏光源，因此必须通过增加照明设备 才能使管道机器人正常工作。为了使摄像头能够观察，比如说5 米以外的物体， 照明灯必须有足够的亮度以及汇聚能力。但是，与此同时汇聚的光被近处管壁反 射后，会使管道局部过亮，而导致摄像头图像饱和的问题。因此照明灯必须是亮 度可调的。 ( 6 ) 通讯问题。这涉及从控制器与主控制器，主控制器与p c 图像终端， p c 图像终端与视频服务器间的通讯问题。而对于前两者，需要高效的通讯协议， 使其既能满足功能要求，又不占用过多的系统资源。针对以上6 个关键问题，我 们的解决方法如下所示： ( 1 ) 模块化组合式结构。为针对不同尺寸的空调管道，我们设计的管道机 器人是可组合的，最小配置包括机器人车身和摄像头。另外可根据需要组合旋转 模块和俯仰模块。检测机器人可组装采样模块，清洗机器人可组合清洗模块，消 毒机器人可组装消毒喷枪。 ( 2 ) 采用m 积o n 空心杯电机。m a ) 【o n 电机为世界知名电机，美国登陆火星 的机器人也是用该品牌的电机。其电机具有效率高、功率密度大、惯性小等特点。 我们行进电机选取a m a ) ( 3 2 型号电机，其标称功率为2 0 w ，最大输出功率为1 5 w ，配合减速箱，其最大输出扭矩可达4 5 n m 1 2 2 1 。驱动我们的机器人可产生的最 大拉力在1 0 0 n 以上，完全符合我们的使用要求。图2 1 为其特性曲线。 电机： a - m a 】【d 3 2 ，酽印h i t cb m s h c s ，2 0 w ，b a l lb e a r i i l g ，2s h a f t s 减速箱： p l a j l e t a r yg c a rd 3 2 ，2 2 5 n m ，2 s t a g e s ，b a l lb e a r i n g s ，3 3 ：l 锱掣= j h o r tt e r o p 盯扎i o n 、- ， “ 、： ， ： 。， j j 。 1 拍j o i 磊o 疏 _ 菇。靠i j 磁i 1 2 丽。面赫“ 曲】 图2 1行进电机a m a x 3 2 配和减速箱的特性曲线 ( 3 ) 行进偏差问题的解决。我们所使用的电机配有数字编码器，通过对数 字编码器的计数，我们就可以获得左右两个电机实际旋转速度以及转过的圈数等 信息，从而可够构成一个闭环的控制系统，进而实现直线行进中的纠偏。 ( 4 ) 采用s o n yf c b e x 4 8 0 一体化摄像机。它具有超强的感光能力、智能 化的自动夜视功能，可以对摄像机的全部参数进行远程设置，在看监视器图像效 果的同时，及时调整摄像机图像参数。通过调节关学和数字参数，在光源充足的 情况下，它能够观察到5 米外直径为1 姗的丝状物体。 ( 5 ) 照明灯采用大功率超高亮度发光二极管。c e w h 0 5 p 6 0 型号额定功率为 5 w ，其直径仅为1 5 m m ，亮度高达1 1 0 流明。通过调节驱动电路中的电位器，可 实现亮度调节。 ( 6 ) 通讯主要是使用串口，通过定义好的通讯包进行通讯，具体通讯协议 详见4 _ 2 4 节。主控制器可通过网络进行通讯，以满足将来的升级换代，甚至可以 实现一个图像终端控制多个机器入。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 5 ) 可通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中找艘j ；h 囊州= 砸倜耀湮孵劐i 羹嚣霉；冀闹引薪烀j 霉! 稀鞯，喜薹窆堇羹霸 蕺晦嘲鲋酢l ? 薹一；? l 暇i 翼爵翟蒋箐! 蓦磋瞄菇。 冀，：蚕耩夏霎雾蒸垂篓羹霪| 矍l ? 豪疆啪鬟囊螽祷缮矍 军事；l 萋薹警纛j ! 量蜉磊船雕些蘩 鲻“鲥霞萝诵靳躺羔重薹。鐾莲蓬塑囊l 蠹需 磊 6 0 0 0 h 鲫f ，它的基本功能如下： 1 ) h 2 6 4 视频压缩技术，压缩比高，处理非常灵活。支持1 ，4 路视频信号， 可实时每秒2 5 帧的独立硬件压缩，支持编码率和变帧率，设定图像质量的同时， 也可设定视频图像的压缩码流。 2 ) 网络功能，支持完整的t c p i p 协议簇，支持视频、音频等数据通过t c p p 网络进行传输，内置w e b 浏览器，可进行m 访问。 3 ) p 1 z 控制功能：云台与电动镜头的控制。 4 ) 报警功能、语音对讲、数据采集以及多级用户管理方式。 4 2软件设计 4 2 1 任务划分和实现 主控制器应用程序主要包括3 个中断服务程序和7 个任务。3 个中断服务程序 分别为r 1 18 01 9 中断服务程序，接收、发送网络数据包；串口0 中断服务程序， 接收p c 终端串口数据，把数据存入接收缓冲区，把发送缓冲区的数据发送出去； 串口1 中断服务程序，内容和串口o 中断服务程序基本一致，差别在于通讯对象为 从控制器。7个任务分别主任务、l w p 初始化任务、网络侦听任务、p c 包处理 塑垩查兰堡主兰丝堡苎堡! 竺2 l p c 2 3 1 6 包括两个u a i ，寄存器位置符合1 6 c 5 5 0 工业标准。包含1 6 字节接 收f 1 f o 和1 6 字节发送n f o ，接收器f i f o 触发点可为1 、4 、8 和1 4 字节。另外两个 u a r t 均内置波特率发送器。 u a r t n 接收器模块u n r x 监视串行输入线r x d n 的有效输入。u a r t nr x 移位 寄存器( u n r 汛) 通过r x d n 接收有效的字符，然后将该字符传送到接收缓冲寄 1 0 4 图3 3 串口通信电路 存器f i f o ( u n r b r ) 中，等待c p u 通过v p b 接口进行访问。 u a r t n 发送模块u n t x 接收c n ，写入的数据并将数据缓存到u a r t nt x 保持 寄存器f i f o ( u n t h r ) 中。移位寄存器u n t s r 读取u n t h r 中的数据并通过串行 输出口输出。 l p c 2 1 3 6 需要使用两个串口，一个与s o n y 摄像机进行通讯，其使用的电平 标准为r s 2 3 2 电平。另外一个串口与l p c 2 2 1 4 通讯，尽管通讯使用的电平均为1 1 l 电平，但是由于线缆分压，1 m 电平的传输距离有限，因此亦需要转换为r s 2 3 2 电平。同样，为了提高控制面板的复位信号的远距离能力，也需要转换为r s 2 3 2 电平传输。这里，我们采用的是s p 3 2 4 3r s 2 3 2 电平转换芯片。 3 1 5 c p l d 译码及1 0 扩展设计 l p c 2 1 3 6 的i o 口有限，因此需要用c p l d 实现译码以及i o 扩展。我们使用 栅r a 的m a x i i 系列c p l de p m 5 7 0 t 1 0 0 ，它具有低成本、高性能等特点，i o 口 兼容3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 等多种电平。 c p l d 实现的功能主要分为三部分控制信号的编码、电机编码信号计数以及 p 黼的扩展。由于l p c 2 1 3 6 的1 0 口有限，所以我们利用1 0 个i o 作为双向1 0 ，3 个1 0 鳖凳 图3 4c p u ) 电路 作为选择信号，可选择3 路计数器输出( 两路行进电机和一路云台旋转电机编码 计数) 、p w m 寄存器装载、控制信号输出、限位开关和计数器溢出状态读取( 共 用一个外部中断) 以及外部中断选通等。 1 控制信号的编码 如图3 5 所示，p w mc t r l 【7 。0 】对应锁存器的输出，为l 2 9 8 的控制信号。”加c t - r l 【0 】为高，p w m c 珊【1 】为低，则【2 9 8 控制的电机正转，否则反转；p 哪d f l 【0 】 和p w m _ 且r i 【1 】均为低，则为自由停车；p w m c 【0 】和p w mc t r l 【l 】均为高，则为快 速停车。v m l 1 w m 为p w m ( 脉宽调制信号) ，由a r m 提供，电机的旋转速度正比 于加载在电机两端的电压，而后者正比于p w m 信号的占空比。对于其他3 路控制 信号，原理也一样。区别在于，由1 0 复用冲突，l p c 2 1 3 6 可使用的p w m 输出仅 有3 路，因此铲电机的p w m 信号由c l p d 扩展得到。 硼n 1 一且w m _ = ：二。- 黼竺竺竺! 牙) 上攀警崩面“械”t p l - l - w me 瑚融- 广t l - 州刖仉 川“ m t l * “醚 。e 蛆剑口习卜o 掣攀；：l ：i 赫葫黼：j l m 衄- 、h 惜 溜盎科b 墅诫 ) 一卿叠l 唧l _ l _ 卜掣兰纛n l 点l 小 ll 鍪嫠= ： i = 习卜_ 艘唑三：毒：弑蠢酿 图3 5c p l d 内部逻辑一一控制编码 2 编码计数 这里主要实现两个功能，一个是纠偏检测，另外一个是电机编码计数。由于 的电机差异以及机械装配差异，两边电机的负载不相等，因此电机分压也会出现 差异，从而导致两边的速度出现偏差。这不但影响了机器人的控制方便性，同 时在需要直线行走，比如说定量取样的时候是不允许的。纠偏检测只有机器人处 于直线前进的状态下才起作用。左右两路电机编码器信号通过计数器，计算同一 段时间内的旋转圈数；两个计数器数值通过两个减法器进行相减运算，当结果超 过指定阈值时产生中断，提示处理器进行纠偏处理。值得注意的是，我们后面会 讲到的p i d 算法，在直线行走的情况下，实际上也可起到纠偏的作用。因此纠偏 是在不使用p m 的情况下使用。不使用纠偏可以在外部中断选通模式下，关闭纠 偏中断请求输出。 另外在c p l d 内部使用了3 个计数器分别对两个行进电机和1 个云台旋转电机 编码进行计数，以统计机器人的行走距离、速度以及云台所在位置等信息。为了 实现行进电机编码的双向计数，我们把计数器的初始值设为l o 0 ，通过l 醴u p ? 一 一：一 羹一 一 图3 6 c p u i 内部逻辑一一编码计数 栅m 3 浙江大学硕上学位论文蛳) d d w n 、r i g i l u l p d o w n 控制计数器计数方向。当正向计数或者反向计数达到x 1 0 时，则产生中断，提示处理器对计数器进行置位以及计数累加。4 个计数溢出( 两 个行进电机计数器各两个) 、2 个纠偏信号和4 个限位开关( 云台一个铲三个) 共 用一个外部中断。处理器可通过选择相应模式，从双向l o 口读出，以判断触发中 断的对象。 3 p w m 扩展 图3 7c p l d i 内部逻辑一一p w m 扩展 由于凹c 2 1 3 6 的1 0 口复用有冲突，能使用的p w m 仅为三路，不满足要求。 因此，在c p l d 里扩展了p w m 发生器。当p i n j e l 【2 】= 1 ，双向i o 为输入模式， p i n _ s e l 【1 0 】由0 变为1 时，p w m 寄存器的时钟输入脚产生一个锁存信号，把i o 口 的数据锁存到p w m 寄存器中。利用有源晶振的分频信号作为p w m 计数器的时 钟，当p w m 计数器的值比p w m 寄存器的值小时，比较器输出高电平，否则输出 低电平。从而实现了p w m 发生器的扩展。 3 1 6 l 2 9 8 电机驱动设计 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) l 2 9 8 为h 桥电路驱动芯片，内含两路h 桥电路。通过控制端的不同输入电平， 从而控制电机的正反转或停车。其中d 1 如8 为续流电阻，作用是提供电机反向放 电回路，保护桥电路。r 1 、r 2 为采样电阻，用于检测电流，防止电机过流。 其真值表如下所示： 表3 1l 2 9 8 真值表 i n l i n 3 i n 2 ，d h 状态 hlo u t i o u 鸭为正 lh o l r l 2 ，o u t 4 为正 ll 自由停车 hh 快速停车 3 2 软件设计 幢摹 v 1 j - c w 图3 8l 2 9 8 驱动电路 为了有效的管理多个任务，我们的从控制器应用程序是建立在u c 0 s i i 上 的。u c o s 不是一个完整的操作系统，而只是一个操作系统内核。它主要提供 给用户多任务的运行环境，在这里的任务相当于线程，所有任务共享系统资源。 u c o s i i 是一个可剥夺型内核，因此它的实时性很高。用户可以根据任务的重要 程度，而设置不同的优先级。 蓦。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 从控制器应用程序主要包括以下几个任务，主任务、包处理任务、统计任务 以及监控任务。 主任务：机器人的初始化，以及建立其他任务。 包处理任务：接收包，处理包，发送状态包。 统计任务：统计机器人的速度，位置，云台位置，云台速度等信息。 监控任务：监控机器人的运行状态，如过流等：实现控制算法，如按照指定 速度行走、指定距离行走等。 3 2 1u c 0 s i i 的移植 1 移植概述 u c 0 s 一 ( 与处理器无关的代码) o sc o r e cu c o sh c o sm b o x cu c o su h o sm e m co sq c o ss e m 。c o st a s k c 图3 9u c o s ii 硬件软件体系结构 移植u c o s 一主要就是要编写以下几个文件： o s _ c p u h 包括了一系列的类型定义以确保其可移植性，申明了几个函 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 数，任务级的任务切换函数0 s c 讧s w ，中断级的任务切换函数o s h t c t x s w ，运 行最高优先级任务函数o s s t a n h i g i l r d y ，这三个函数均在0 s p u a a s m 被定 义。另外还定义了堆栈的增长方向。 o sc p ua a s m o s c 恢s w 、o s h t c t 】【s w 、o s s t a n h i g l l r d y 以及时钟节拍 中断服务函数的实现。 0 s _ c p u - c c 定义了函数o s t a s k s t k i n i t 函数，该函数用来初始化任务的堆 栈结构。另外还有一些用户自定义的钩子函数，0 s t a s k c r e a t h o o k 、o s t a s k d e l h o o k 、o s t a s k s w h o o k 、o s t a s k s t a t h o o k 以及o s t i m e t i c k h o o k 等。这些钩子函数的目 的是，允许用户扩展u c o s i i 功能，一般很少用到。 2 设置o s c p u h 因为不同的编译器和微处理器有不同的字长，所以u a 0 s 代码不使用c 语 言的s h o n ，i n t 和l o n g 等数据类型，因为它们都是与编译器相关的，不可移植。因 此，我们必须把和编译器相关的数据类型和u c o s i l 的数据类型对应起来。 与所有的实时内核一样，u a o s 1 i 需要先禁止中断再访问代码的临界区，并 且完毕后重新允许中断。u c o s i i 定义了两个宏o se m 匝rc r m c a l ( ) 和 o s - - e x r rc r r r i c a i o 实现开关中断，目的是为了隐藏编译器厂商提供的具体实 现方法。我们这里是通过先保存当前任务的c p s r ，然后禁止中断；而恢复时则 通过恢复c p s r 实现。具体函数在0 s c p u a a s m 中定义。 另外还定义了堆栈的增长方向，以适应不同的处理器。o ss t kg r 0 w 1 h 为0 表示堆栈从下往上增长，为1 则从上往下增长。 3 用c 语言编写6 个与操作系统相关的函数0 s c p u c c o s t a s k c f c a t e o 和0 s k c r e a t e e x t 0 通过o s t a s k s t k h i i t 来初始化任务的堆栈 结构。任务堆栈的目的是保护当前任务的执行环境，从而使任务间或者中断服务 函数和任务间的切换不互相影响，这是实现多任务的前提。 l l c o s i i 中每一个任务都有一个任务控制块( o s j c b ) 与之相对应，其中 包括任务堆栈栈顶的指针。任务切换的时候，从任务控制块中得到该指针，从而 实现恢复现场的目的。 我们让u c o s - i i 工作在管理模式下，原因是在该模式下可以切换到其它模 式，而用户模式不行。而s p s r 保存的是当从用户模式切换到其他模式的c p s r 的 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 值，所以我们的堆栈不需保存该信息。 任务的堆栈结构可以根据所需要用到的寄存器情况以及工作的处理器模式 而定，但是必须保证最后恢复任务入口地址，也就是说指向任务函数的指针必须 位于栈底。 5 个钩子函数由于没有用到，都是空函数。需要使用钩子函数时，o s c i ；g h 中的o s c p u _ h o o k s _ e n 须被置为1 。 4 用汇编语言编写4 个与处理器相关的函数0 s c p u a a s m ( 1 ) o s c p u s r l s a v e 和0 s c p u s r j t e s t o r e 实现关闭中断和打开中断的具体实现方法，在进入临界段前先把程序状态的 寄存器保存，然后禁止中断，再进入临界段；退出临界段时，只要把原先保存的 程序状态寄存器的值恢复即可。这也就是所谓的模式三。 ( 2 ) o s s t a n h i g l l r d y u c 加s 启动时，调用该函数恢复处于就绪状态且优先级最高的任务环境， 然后进入最高优先级任务的程序入口。 ( 3 ) o st a s k s w 任务级的任务切换函数 在任务内部实现任务切换，称为任务级的任务切换。任务级的任务切换是发 生在管理模式下的，也就是说两个任务的寄存器是相同的，所以实现比较容易。 主要工作是：保存当前处理器寄存器；在当前任务的任务控制块中保存当前任务 的堆栈指针；得到重新开始运行的任务的堆栈指针；恢复处理器所有寄存器的值； 跳转到新任务的程序地址。 ( 4 ) o s i l l t c 戗s w 中断级任务切换函数 由于中断级的任务切换涉及c p u 工作模式的转换，所以比任务级的切换麻烦 一点。关键问题是进行切换对的堆栈指针为中断模式下的堆栈指针，与原任务所 在的管理模式的堆栈指针不一样。所以需要先保存一部分寄存器，然后利用被保 存的寄存器辅助进行任务堆栈的保存。而恢复新任务的运行环境与任务级任务切 换函数是一样的。 另外，进入中断级任务切换函数时，得先把中断模式下堆栈里保存的寄存器 值恢复。这样做有两个目的，一个是恢复当前任务的运行环境以便保存到任务所 在模式的堆栈里：另外就是为了清空中断模式下的堆栈，避免堆栈溢出。需要指 塑垩查兰堡圭鲎垡篓壅! ! ! 塑 出的是，中断切换函数是大部分中断退出前都可能会调用，因此进入各中断服务 程序时所保存的寄存器的个数和顺序必须一致，才能确保在中断级任务切换函数 开始处，恢复寄存器不会出错。解决方法是中断服务函数主体用汇编编写( c 编 写的中断服务函数编译后所使用的寄存器个数是不确定的) ，或者使用非向量中 断，在非向量中断服务程序里使用查询方式处理中断。 ( 4 ) o s t i c l d s r 时钟节拍中断服务函数 多任务是靠时钟节拍来实现多任务复用c p u 资源的，因此硬件必须提供一个 一定频率的时钟节拍，来实现时问的延时和期满功能。一般为1 0 一1 0 0 h z 。另外 需要注意的是必须在第一个任务开始执行后才打开时钟节拍。因为有可能在u c o s i i 开始执行第一个任务前时钟节拍中断就发生了。在这种情况下，肛c 0 s - i i 的运行状态不确定，用户的应用程序也可能会崩溃。在时钟节拍中断服务函数里 主要是调用o s t i m e t j c k 函数，后者跟踪所有任务的定时器以及超时时限。 3 2 2 任务划分与实现 整个从控制器应用程序主要包括3 个中断服务程序和4 个任务。3 个中断分别 为外部中断服务程序，处理限位开关、纠偏、计数器溢出等：串口中断服务程序， 接收串口数据，把数据存入接收缓冲区，把发送缓冲区的数据发送出去；定时器 溢出中断，提供系统时间，用于统计任务( 正常情况下是不会出现，因为分频后 计数时间可达4 9