2008 年第 4 期 液压与气动 93 基于 ARM 嵌入式系统的高空爬壁机器人 于 　今 ,田 　蔚 ,李绍军 A Wall climbing Robot Platform with ARM Embedded System YU Jin , TIAN Wei ,L I Shao jun (重庆大学 机械工程学院七教 136 ,重庆 　400044) 摘 　要 :针对爬壁机器人及其作业环境的特点 ,文章介绍一种应用常见经济型器件构建的爬壁机器人平 台 ,它满足低成本 、装配简单 、可扩展性好等要求 。我们选择了高速低功耗的 ARM 芯片作为处理器 ,为机器 人设计了丰富的功能 ,并与上位机视觉定位和控制系统结合 ,使其适用于导航与定位 、运动控制策略 、多机器 人系统体系结构与协作机制等领域研究 。此项移动机器人平台的研究未来前景广阔 。 关键词 :爬壁机器人 ;ARM ;嵌入式系统 ;多机器人 中图分类号 : TP24 　文献标识码 :B 　文章编号 :1000 4858 (2008) 04 0039 04 引言 最近数十年中 ,在机器人领域的研究重点从传统 的工业机器人转向了自主的移动机器人 ,最近 ,又从单 个机器人的控制转向了多机器人的协调控制 。嵌入式 系统以应用为中心 ,计算机技术为基础 ,软 、硬件可剪 裁 ,适用于应用系统对功能 、可靠性 、成本 、体积 ,功耗 要求严格的专用计算机系统 。由于嵌入式系统具有微 内核 、系统精简 ,强实时性 、专用性强等特点 ,因此特别 适合具有实时性能要求的机电控制系统 。在控制任务 比较单一 ,控制逻辑结构比较简单的应用系统中 ,控制 软件的设计相对比较容易 。随着控制功能和控制逻辑 变得日渐复杂 ,控制系统软件设计的工作量和时间也 会跟着成倍的增长 ,而且系统实时性也会受到软件复 杂度的影响 。为了保证系统的实时性 ,简化控制系统 10 　收稿日期 :2007 　作者简介 :于今 (1964 —) ,男 ,贵州安顺人 ,副教授 ,博士研究 生 ,主要从事机电一体化 、流体智能传动及控制工作 。 16 器 、过 滤 器 等 阻 力 损 失 ( 一 般 取 值 ≤0. 05 ～ 0. 10 MPa) 10 。 4 　结论 (1) 应根据喷气织机的数量和用气特性选择空压 机 ,对数量大 、品种单一 、运行平稳 ,要求压缩空气品质 高的系统宜采用离心式空压机以节约能源 。对于小批 量 、多品种喷气织机生产 ,用气负荷变化较大的系统 , 宜采用并联特性好的螺杆式空压机 ; (2) 合理计算喷气织机耗气量和用气压力 ,正确 选择空压机台数 ,使空压机在较高负荷和高性能区运 行 ,这对节约能源至关重要 ; (3) 应根据每个企业的生产规模 、地理位置 、当地 气候条件和水资源条件选择空压机的冷却方式 ,充分 利用当地廉价的能源 ,降低能源消耗 ,提高压缩机的运 行效率 ; (4) 合理选择机型和机台数量 ,螺杆机可采用多 台并联 ,离心机并联台数不宜多于 3 台 ; (5) 应合理确定系统压力 ,合理设计管道系统 ,尽 量降低空压站供气压力 ,减少安全阀开启 、节约能源 。 参考文献 : 1 　严鹤群 ,戴继光 ,徐立红 ,等. 喷气织机原理与使用 M . 北京 :中国纺织出版社 ,1996. 2 　王凤贵. 螺杆式空压机在纺织业的应用 J . 纺织信息周 刊 ,2000 (2) :12. 3 　李晓英. 微油螺杆与无油螺杆的特点及运行费用比较 J . 压缩机技术 ,2005 (3) :24 - 25. 4 　中国机械工业联合会. 压缩空气站设计规范 M . 北京 : 中国计划出版社 ,2003. 5 　压缩空气站设计手册编写组. 压缩空站设计手册 M . 北京 :机械工业出版社 ,1993 :163 - 190. 6 　彦鹤群 ,朱双霞. 美国寿力 (SULLAIR) 24 KT 型螺杆空压 机使用实践分析J . 棉纺织技术 ,1997 ,25 (6) :51 - 54. 7 　杨寿亭. 压缩空站的节能设计 J . 节能 ,2003 (1) :42 - 44. 8 　许圣召. ZR 系列空压机的特性及使用实践 J . 棉纺织 技术 ,2001 ,29 (2) :49 - 50. 9 　津田驹工业株式会社. ZA 喷气织机引进指南 J . 2000 (12) :2 - 5. 10 郭兴峰. 现代织造技术 M . 北京 : 中国纺织出版社 , 2004. 

04 液压与气动 2008 年第 4 期 软件的设计 ,在控制系统中引入嵌入式实时操作系统 成为越来越迫切的需要 。同时 ,基于 SOC 技术的高性 能 32 位嵌入式微处理器的出现也为实时操作系统的 引入奠定了物质基础 。基于高性能嵌入式微处理器和 实时操作系统的嵌入式实时系统必将是机电控制系统 的发展方向 。 本文提供了一种价格经济 ,功能丰富的机器人平 台 。它适用于导航与定位 、运动控制策略 、多机器人系 统体系结构与协作机制等领域的研究 。它的硬件成本 在一千元左右 ,而且制造简单 ,维护方便 。这是一种开 放式的平台 ,具有丰富的接口 ,用户可以很容易的添加 修改软硬件 ,以适应不同用途 。 1 　LPC2214 简介 ARM7 TDM I 是世界上广泛使用的 32 位嵌入式 RISC 处理器 。其内核提供高达 4000 M IPS/ W 的低 功耗特性 ,采用三级流水线和冯·诺依曼结构 ,提供 9M IPS/ M Hz 的性能 。最适合应用于对价位和功耗 0 敏感的系统 ,如图 1 所示 。 图 1 　ARM7TDMI 内核 采用某公司的 L PC2214 芯片是基于 ARM7 TDMI 的 32 位 MCU ,主用负责调度各项任务 ,包括与上位机 通信、处理中断、控制算法、将相关图象控制等信息送 LCD 显示等。L PC2212/ L PC2214 是一款基于 16/ 32 位 S ,并支持实时仿真和跟踪的 CPU ,它带有 ARM7 TDMI 128/ 256 k 字节(kB) 嵌入的高速 Flash 存储器。128 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 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 16 位 Thumb 模 式 将 代 码 规 模 降 低 超 过 30 % ,而性能的损失却很小。L PC2212/ L PC2214 采用 144 脚封装、极低的功耗、多个 32 位定时器、8 路 10 位 ADC、PWM 输出以及多达 9 个的外部中断 ,这款微控制 器特别适合工业控制、医疗系统、收款机控制等应用领 域。其可用 GPIO 范围为 76 脚 (外部存储区) 到 112 脚 (单片) 。由于内置了宽范围的串行通信接口 ,它们也非 常适合于通信网关协议转换器、嵌入式软件调制解调器 以及其他各种类型的应用。 ARM7 TDMI 内核高速的运算性能 ,使得 LPC2214 可以实时完成移动机器人复杂的控制算法 、电机的控 制 、传感器信息的处理以及与外 部 的 通 信 等 任 务 。 PWM 定时器 、ADC 与丰富的 I/ O 和中断有利于运动 控制的实现 。L CD 控制器可以方便地实现 L CD 显 示 。丰富的片上资源 ,使得我们能够为移动机器人设 计多种外部接口 。 同时 ,作为目前国内使用较为普遍的 ARM 处理 器 ,有较为丰富的资源可以参考 ,采购方便 ,成本较低 。 2 　爬壁机器人的设计与分析 2 1 　机械主体与硬件结构 爬壁机器人设计的主要难点和重点是其 3 个基本 功能 :在壁面上的吸附功能 、移动越障功能和灵活的转 向功能 。在此基础上进一步使系统结构简单 ,动作灵 活 ,小型化和轻量化 ,操作安全方便 。如图 2 所示 ,本 文综合考虑机器人系统的作业环境和性质 ,使其既能 达到减轻重量 ,结构简单 ,又能达到安全和控制方便的 要求 ,确定了爬壁机器人的总体设计要求和方案 ,吸附 方式采用多吸盘真空吸附 ,以适应混凝土 、瓷砖 、玻璃 , 金属等各种材质的壁面 ;移动机构采用框架式 ,以满足 对壁面的适应能力和越障能力 ,实现全方位移动 ;电机 和气缸混合驱动方式具有良好的控制特性 ,又能减轻 重量 ;控制系统采用基于 ARM7 TM IDS 的 UC/ OS II 实时操作系统 ;该机器人有一定的越障能力 ,能跨越 50 mm 高 、宽为 100 mm 的障碍物或者焊缝 。据此总 体方案所设计的机器人本体结构如图 1 所示 。该系统 主要由上 、下两层框架 、中间安装板 、涡轮蜗杆 、丝杠螺 母副和一系列真空元件构成 ,实现相对移动 、相对转动 和跨越运动 。 1. 吸盘 　2. 吸盘安装板 　3. 下框架 　4. 导轨 5. 涡轮 　6. 蜗杆 　7. 上框架 　8. 电动缸 图 2 　爬壁机器人本体结构 

1 2008 年第 4 期 液压与气动 14 本机器人控制器采用“主控器 + FP GA 图像采集模块” 的形势 。FP GA 负责完成现场信息的采集和运算 。在 机器人控制中 ,要求运动平稳无超调 ,所以控制器的运 算任务很繁重 。主控制器主要完成除 FP GA 所作的 信息运算以外的所有工作 ,包括上位机命令接收 ,机器 人状态监视 、显示 ,根据一定的控制算法实现空间轨迹 插补以及传感器信息综合处理等工作 。所以主控制器 的任务也很繁重 。控制结构如图 3 所示 。 图 3 　硬件控制系统 2 2 　运动控制器 运动控制器以 L PC2214 为核心 ,包括电磁阀驱 动 、电流检测 、和图象处理模块等部分 。目前实现避障 的主要方法有红外避障 、超声避障 、激光避障 、微波雷 达避障 、接近式传感器避障和视觉避障 。近几年来 ,由 于计算机图像处理能力和技术的飞速发展以及大量的 数字图像处理设备性能价格比的提高 ,加之视觉系统 具有信号探测范围宽 、目标信息完整等优势 ,视觉传感 器在移动机器人导航中的应用越来越受到人们的重视 并表现出很好的发展前景 。针对该机器人的特点 ,本 文提出了一种基于双目立体视觉的机器人实时避障策 略 ,并进行了针对性的模拟实验 。结果表明 ,该方法具 有处理的数据量较小 ,实时性好 ,实现简单 ,避障较可 靠的特点 。根据视觉定位系统得到的信息 ,上位机对 移动机器人的路径进行规划 ,然后发送运动控制命令 给移动机器人 。如此整个机器人平台形成两层控制 。 微处理器作为底层的控制负责电磁阀的动作 ,传感器 和外部通信 。上位机进行高层的运动规划和控制 。移 动机器人按照上位机给定运行方式和路径运行 ,减少 了微处理器的负担和机器人与上位机之间的通信量 , 保证了运动控制的实时性 ,扩展了机器人的能力 。 机器人通常处于初态 ,每次循环动作均从初态开 始 。初态时机器人腿部气缸均伸出 , 所有的吸盘吸 附 。机器人有平动和转动两种运动状态 。在上 、下框 架吸盘组内部 ,安装了两个真空开关 ,一个用于检测 吸盘内部的真空度 ,当真空度达到 - 0 08 MPa 时为 ON 状态 ;另一个用于检测吸盘内部是否已经解除真 空 ,当内部真空度为 0 时为 ON 状态 。机器人处于初 态时 ,按下自动/ 手动启动按钮 ,系统启动 ,首先检测 上框架吸盘内部的真空度 ,如果内部真空已经解除才 可以进行下一步的缩腿动作 。机器人腿部气缸和平 动气缸伸出/ 缩回的执行气缸均采用双线圈的二位电 磁阀驱动实现 ,每个线圈完成一个动作 。当机器人经 过一个动作循环又进入初态时 ,自动启动压力检测 , 当满足接触真空的条件时自动进入下一个工作循环 。 按下停止按钮后 ,应等到一个工作循环结束 ,所有的 吸盘吸附后 ,让机器人恢复到初态才停止工作 。按下 紧急停止按钮时 ,机器人立即停止工作 ,只有当前状 况下为处于吸附状态的吸盘提供真空的真空发生器 继续工作 ,其他的一起动作立即停止 ,以保证机器人 能继续吸附在壁面上 。 2 3 　通信 本设计采用选用无线收发一体数据传输 Modem 模块 P TR2000 ,该模块在内部集成了高频接收 、PLL 合成 、FS K 调制解调 、参量放大 、功率方法 、频道切换 等功能 ,工作频率为国际通用的数传频段 433 M Hz , 使用时无需申请许可证 。采用 FS K 调制/ 解调 ,工作 数率最高达 20 kbit/ s ,有效距离 1000 m 。采用低发射 功率 ,高接收灵敏的设计 ,接口方便 ,抗干扰能力强 ,特 别适合工业控制场合 。 图 4 所示是 P TR2000 与计算机串口及微处理器 接口的典型应用电路 。连接时 , P TR2000 无线 MO DEM 的 D I 端应接单片串口的发送端 ,DO 接单片机 串口的接收端 。利用单片机的 I/ O 可以控制模块的 发射 控 制 、频 道 转 换 和 低 功 耗 模 式 。如 果 直 接 将 P TR2000 与 计 算 机 串 口 连 接 , 则 可 用 R TS 来 控 制 P TR2000 无线 MODEM 模块的收/ 发状态转换 ( R TS 需经电平转换) 。 图 4 　无线传输模块 2 4 　嵌入式操作系统 传统的单任务顺序执行机制已经不能满足系统的 实时性要求 ,且系统的可靠性不高 。本次设计的爬壁 

2 24 液压与气动 2008 年第 4 期 机器人系统是一个典型的实时多任务系统 ,每个任务 优先级不同 ,当某个高于现任务优先级的任务就绪时就 会产生一个任务调度。因此 , 选用的软件平台是基于移 植到 LPC2214 的 实 时 多 任 务 操 作 系 统 UC/ OS Ⅱ。 它是基于优先级 、抢占式的实时内核 ,主要提供了任务 管理 、进程调度 、任务间通信及内存管理等功能 , 具有 源代码公开 、可移植性好等特点 ,采用全占先多任务机 制 ,可支持 56 个用户任务 ,其中断管理功能提供了深 达 255 层的中断嵌套 。通过 UC/ OS Ⅱ进行多任务的 管理 ,任务处于休眠 、等待 (挂起) 、就绪 、运行 、中断 5 种状态之一 。它避免了传统的前后台方式下实时性 差 、任务混乱及多任务调试困难等缺点 。 移植 UC/ OS Ⅱ, 主要包括 : 设置堆栈的增长方 向 ,声明 3 个宏 ( 开中断 、关中断和任务切换) ,声明 10 个与编译器相关的数据类型 ;用 C 语言编写 6 个与操 作系统相关的函数 (任务堆栈初始化函数和 5 个钩子 函数) ;用汇编语言编写 4 个与处理器相关的函数 。用 汇编语言编写的 4 个与处理器相关的函数如下 : ①OSStart HighRdy ( ) 用于在调度中使最高优先 级的任务处于就绪态并开始执行 ; ②OSCtxSw () 完成任务级的上下文切换 ; ③OSIntCtxSw ( ) 完成中断级任务切换 ,其过程 与 OSCtxSw () 类似 ,只是在执行中断服务子程序后可 能使更高优先级的任务处于就绪态 ; ④OSTick ISR () 是系统节拍中断服务子程序 。 此系统中有如下 4 个用户任务 , Task1 : 接收上位 机命 令 ; Task2 : 轨 迹 规 划 ; Task3 : 系 统 状 态 监 视 , Task4 :系统状态发送和显示 。任务的优先级是依次降 低的 。任务之间通过邮箱完成信息的交换与资源的共 享 。主控制器通过 Task1 接收上位机的位置和速度指 令 。由于上位机发送指令是随机的 ,而下位机除了接 受上位机的指令外还要处理其他的事情 ,为了保证运 动过程中命令的不丢失 ,采取了两种措施 : 首先将该 任务设置为优先级最高的用户任务 ,另外主处理器允 许 UAR T1 的接收中断 ,并根据指令的长度将接收缓 冲区的触发深度设置为 12 字节 。(根据需要 ,此处上 位机 发 送 给 下 位 机 的 指 令 每 帧 长 度 为 12 字 节 , L PC2214 的 UAR T 接收触发深度可以软件编程设置 为 4 、8 、12 、16 字节) 。当上位机不发送指令时 ,该任 务处于挂起状态 ,当上位机发送 12 字节命令时 ,将激 发 UAR T 中断 。在该中断服务程序中唤醒 Task1 进 入就绪态 。由于它具有最高的优先级 ,所以可以马上 执行 ,从接收缓冲区中接收上位机的指令 。这样避免 了单个字节就激发中断而导致主处理器频繁的响应中 断的情况和没有实时操作系统的前后台调度方式中命 令丢失的情况 。Task2 根据传感器提供的机器人的当 前位置信息和障碍物信息以及接收到的上位机指令进 行世界坐标系中的总体任务规划 、机器人运动学逆解 , 生成下一个节拍每个关节应该转动的角位移 、转动的 角速度 ,然后通过总线写到相应的的寄存器中 ,这个任 务的优先级仅低于 Task1 , 运行周期 100 ms。Task3 主要处理传感器的信息 ,运行周期 100 ms。包括通过 状态寄存器获得当前编码器的信息 ,再经过运动学计 算得到机器人当前位置信息 ,通过视觉传感器获得当 前机器人周围障碍物的信息 。另外下位机的一些运行 状态 ,如当前位置 、障碍物信息等也需要发送给上位机 同时送液晶模块显示 , 这个由 Task4 来完成 ,这个任 务具有最低的优先级 ,运行周期 300 ms。系统的软件 在 ADS1 2 下调试通过 。由于 ARM7 TDM I 中没有 MMU (内存管理单元) ,所以其操作系统和用户程序 要编译在一起 ,最后生成一个文件 。在这一点上不同 于在 DOS 或 Windows 下的概念 ,它的操作系统和用 户程序是分开的 ,而且可以由多个应用程序同时存在 于主机中 。另外在 ADS1 2 下可以使用 c 语言进行软 件开发 ,并且可以使用数学库 ,缩短了软件开发周期 。 3 　结论 以上设计方案综合考虑了各方面因素 , 兼顾了 ARM 处理器和 FP GA 协处理器的性能状况和资源需 求来分配任务 ,减少了内存操作的次数 ,提高了系统的 实时性 ,满足应用要求 。本文中设计的嵌入式机器人 控制系统在应用取得了一定成效 ,实时性 、可靠性 、通 用性均有良好的表现 ,其体积小 、功耗低 , 实际情况比 较令人满意 ;此控制系统不需要计算机的控制 ,可独立 自主地判断如何动作 。目前 ,该嵌入式控制系统的性 能上还存在着诸多不足 ,主要表现在控制器中控制算 法的设计和功能的完善上 ,这也是今后努力的方向 。 参考文献 : 1 　王树国 ,等. 智能机器人的现状及未来 J . 机器人技术与 应用 ,1998 (4) :32 - 36. 2 　张连明 ,等. 嵌入式系统的设计与开发 J . 现代电子技 术 ,2003 (5) :18 - 20. 3 　马少华. 嵌入式操作系统的设计与实现 D . 南京 :南开大 学 ,2002. 4 　任哲 ,潘树林. 嵌入式操作系统基础 UC/ OS M . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2006. Ⅱ和 Linux