基于RTX51的排爆机器人嵌入式控制器固件开发

排爆机器人(EOD robot)是一种遥操作地面移动机器人,操作机主体一般是由一个机械手和一个可移动平台组成,主要用于拆除疑似爆炸物品,以减少作业现场人员伤亡,是军警部门必须装备的设施。目前国际上主要流行美国Remotec公司的Andros系列排爆机器人、法国Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机器人等。但是国外的排爆机器人价格过高,出现故障后维修特别不方便。因此国家863专家组已经将高性能排爆机器人的研发及国产化列入了重点支持的课题。

由于种种原因,目前的排爆机器人很多只采用PLC实现点动控制,功能有限且操作性较差。研究高性能控制器成为排爆、消防等各种遥操作地面移动机器人的共同课题。利用先进的嵌入式系统技术可以较好地解决这类问题。

本文概述了上海交通大学机器人研究所研制的新型遥控移动式排爆机器人PBJ-1的嵌入式控制系统(如图1所示),主要叙述基于RTX51嵌入式实时操作系统(RTOS)开发排爆机器人PBJ-1嵌入式控制系统固件的情况。利用嵌入式系统技术开发适合排爆等各类遥控地面移动机器人使用的嵌入式控制系统能够解决上述种种矛盾。


   
图1 遥操作排爆机器人PBJ-1

1 PBJ-1功能介绍

目前国际上比较流行的排爆机器人,都需要由经过专门培训的操作人员通过操作一组分别控制机械臂上各个关节驱动电机的按键控制,操作很不方便。操作人员需要根据现场的状况,判断出需要机械手执行的动作,再经过大脑的转换,手工控制机械臂各个关节顺序动作,使机械手爪拟合出一条空间轨迹以完成作业,大大降低了工作效率。这类排爆机器人一般都需要大量的摄像机,随时显示爆炸物相对机械手爪的位置,以便操作人员决定下一步动作。

新型排爆机器人PBJ-1为了使操作人员操作更加方便,在嵌入式控制器中嵌入了机器人运动学运算,能够实现机械臂的自主联动控制。操作者只要通过观看控制箱上面的显示器,直接操纵控制器命令机器人水平前、后或垂直上、下运动,机械臂可以实时进行机器人运动学运算和分解运动控制,控制机械手爪完成空间的直线拟合运动。这种操作方式略过了操作人员在大脑中进行动作转换的步骤,大大方便了排爆这一高危险性作业现场的作业。

为了方便现场操作,在其嵌入式控制器系统中还加入了机器人的一些半自主动作功能。例如当机器人完成作业后机械臂可以自动折叠归位;机械臂可以自动进入作业最佳操作姿态;当操作不当时,控制器可以自主取消操作人员发送的命令,以避免机械臂与车体之间的干涉碰撞等。

为防止爆炸物被恐怖分子遥控引爆,爆炸物品的拆除现场一般都要做电磁屏蔽处理,不能使用无线遥控型机器人,只能采用有缆遥操作移动机器人。由于爆炸物品的拆除作业危险性很大,所以对排爆机器人的有线通讯系统的可靠性要求很高。PBJ-1是通过RS-485协议实现相互之间远距离、高速、高可靠性通讯。

操作人员可以通过上位控制箱里的液晶显示器监视作业现场的状态;通过操作各种动作按钮及操纵杆控制机器人完成各种作业。控制箱有六组4位数显LED,分别显示机器人型号(PBJ1)、通讯状态(run或Err)、大小臂关节角、机器人及车体运动速度、机器人电源实时电压。这些都保证了操作人员可以全面了解机器人具体运行状态,顺利完成作业。
　
2 PBJ-1嵌入式控制系统设计

遥操作机器人由于工作于非结构环境中,实际期望运动轨迹未知,所以需要根据操作者的实时操作情况进行动态实时的目标位置生成及轨迹规划,并完成相应的运动控制。

由于这台新型排爆机器人功能增强,下位机微控制器需要实时完成机器人运动学及分解运动控制解算,并驱动各个接口器件实时控制机器人运动,还要保证上、下位机之间的正常通讯连接,及时、迅速、高可靠性地响应上位机经过处理的数据并且上传机器人本体的各种状态信息,负担很重。因此如何合理地进行系统固件程序设计成为决定该机器人实际运行效果的关键。

要实现上面所述的功能,微控制器的应用必须能够同时进行多任务或工作的执行。对此,传统的基于单任务顺序循环机制的程序设计方法难以胜任,如图2所示。因此,需要找到一种新的合适的控制器设计方法。由于微控制器系统功能通常可以分解为多个相对独立的模块,将这些模块理解为任务,从而可以引入多任务机制进行管理。引入多任务机制后,可以有效地改善程序结构,满足应用系统复杂的定时要求。在多任务机制下,CPU的运行时间被划分成许多小的时间片,由某种调度算法按不同的优先级别分配给不同的任务。多个任务分别在各自的时间片内访问CPU,从而产生了微观上轮流运行、宏观上并行运行的多任务效果,如图3所示。


   
在多任务嵌入式系统中,合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器速度无法达到目的,这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。因此必须基于多任务实时操作系统进行嵌入式系统固件开发。

实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务;其次才着眼于提高计算机系统的使用效率。其重要特点是通过任务调度对重要事件在规定的时间内作出正确的响应。实时操作系统既能保证对外界的信息以足够快的速度进行相应处理,又能并行运行多个任务,具有实时性和并行性的特点,因此能很好地完成对多个信息的实时测量、处理并进行相应的多个实时控制。

PBJ-1上下位机嵌入式控制器都是以业界经典51内核增强型单片机AT89C55WD为核心;基于嵌入式实时操作系统RTX51Tiny开发固件程序。通过提供必不可少的系统服务,如信号量管理、消息队列、延时等,实时内核使CPU的利用更为有效。