基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计

首先，简要介绍四足微型爬壁机器人的机构部分，然后详细介绍四足微型爬壁机器人控制系统的硬件设计，以及实时多任务操作系统μC/OS-II在Philips公司32位ARM处理器LPC2104上的移植和控制软件的设计。  

近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的发展和微小型移动机器人应用领域的不断拓展，出现了这样一种需求，即用微型爬壁机器人代替人工进行各种极限作业，如公安消防中使用微型爬壁机器人进行纵横交织；上下连通的大楼通风管道进行灾情现场考察；敌情侦察；或进入空间狭窄的核工业管道群之间进行外管壁的检测和维修等。微型摒弃壁机器人具有广泛的应用前景，在国家自动科学基金和上海市启明星的联合资助下，笔者开发了基于并联腿机构的四足微型爬壁机器人。  

1 机构简介  

本文所设计的微型爬壁机器人（长10cm,宽4cm，高4cm）采用四足对称结构，随机构采用并联机构（也称并行三连杆机构），吸附装置采用仿生高分子粘性材料经切削加工制成的贴性吸盘。每一条腿有三个自由度，分别通过三个微型直流电机配合微型线杠螺母机构直接驱动。图1中，电机1驱动腿机构，使其实现左、右转动；电机2驱动机器人小腿，实现向前、向后迈步；电机3驱动机器人大腿，实现大腿的抬起、放下运动。协调控制四条腿上的12个直流电机，就可以使微型爬壁机器人实现前进、倒退和转弯等各种运动。



  
2 控制系统硬件设计  

该微型爬壁机器人采用12个微型电机驱动，4个接触传感器，4个压力传感器，以后还要增加用于壁障的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主控制器的要求较高。设计中，最终选定Philips公司最新开发的基于32位ARM7TDMI-S内核的低轼耗ARM处理器LPC2104作为控制系统主控制器。LPC2104具有以下特性：  

*128KB片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能；  
*16KB静态RAM；  
*向量中断控制器；  
*仿真跟踪模块支持实时跟踪；  
*标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具；  
*双UART，其中一带有调制解调器接口；  
*高速I2C串行接口，400kb/s；  
*SPI串行接口；  
*2个定时器分别具有4路捕获/比较通道；  
*多达6路输出的PWM单元；  
*实时时钟；  
*看门狗定时器；  
*通用I/O口；  
*CPU操作频率可达60MHz；  
*两个低功耗模式，空闲和掉电；  
*通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；  
*外设功能可单独使能/禁止实现功耗最优化；  
*片内晶振的操作频率范围10～25MHz；  
*处内PLL允许CPU可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。  

微型爬壁机器人控制系统的原理框图如图2所示，选用LPC2104作为嵌入式控制器。为提高系统效率和降低功耗，功放驱动电路采用基于双极性H-桥型脉宽调整方式PWM的集成电路L293D。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。为了节省LPC2104的I/O口资源，选用2片74LS138和IN2引脚，控制电机的正反转。为了节省LPC2104的I/O资源，选用2片74LS138译码器对I/O口进行扩展，每片分别选用3路I/O作为输入信号和1路I/O作为片选信号，这样就可以将8路I/O口扩展或16路I/O口。如前所述，因为直注电机采用PWM调速，这样每1个电机至少需要1路PWM，12个电机需要12路PWM，而LPC2104只有6路PWM输出，所以选用2片电平锁存器74LS373使12个电机分成2组共用6路PWM信号。  

接触传感器由外层管和内部超弹性线构成，内外两层通过硅管隔开。当内线和外层接触时，开关关闭。通过这种方法，接触传感器向LPC2104发送信号，借此来控制吸盘的方向。  

从压力传感器来模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，LPC2104通过压力传感器来的信号来判断吸盘是否安全的吸附在墙壁上。  

LPC2104还可以通过串口RS232和上位机进行通信。  

3 控制系统软件设计  

微型爬壁机器人控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统μC/OS-II。它是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSI C写的，移植方便，且运行稳定可靠。目前，它已经在几十种从8位到64位的微处理器、微控制器上实现了成功的移植。下面首先介绍μC/OS-II在LPC2104上的移植过程，然后介绍微型爬壁机器人控制软件的设计。  

3．1 μC/OS-II在LPC2104上的移植  

移植μC/OS-II，主要包括：设置堆栈的增长方面，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：  

①OSStartHighRdy()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；  
④OSTickISR()是系统节拍中断服务子程序。  

3.1.1 OS_CUP.H的移植  

μC/OS-II不使用C语言中的short、int、long等数据类型的定义，因为它们与处理器类型有关，隐含着不可移值性，所以代之以移值性强的整数数据类型，这样，既直观又可移值。

在μC/OS-II中，使用OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()开中断和关中断来保护临界段代码。ARM处理器核的用户模式和执行Thumb代码时，不能改变处理器的开中断位I。为了兼容各种模式，使用软中断指令SWI使处理器进入管理模式和ARM指令状态，即使用SWI 0x02关中断，使用SWI 0x03开中断。  

ΜC/OS-II使用结构常量OS_STK_GROWTH指定堆栈的增长方式，0表示堆栈从低地址往高地址增长，1表示堆栈从高地址往低地址增长。虽然ARM处理器核对于两种方式支持，但ADS的C语言编译器仅支持一种方式，即从高地址往低地址增长，并且必须是满递减堆栈，所以OS_STK_GROWTH的值为1。以上内容在文件OS_CPU.h中做如下定义。  

Typedef unsigned char BOOLEAN;/*布尔变量*/  
Typedef unsigned char INT8U; /*无符号8位整型变量*/  
Typedef signed char INT8S;/*有符号8位整型变量*/  
Typedef unsigned short INT16U;/*无符号16位整型变量*/  
Typedef signed short INT16S;/*有符号16位整型变量*/  
Typedef unsigned int INT32U;/*无符号32位整型变量*/  
Typedef signed int INT32S;/*有符号32位整型变量*/  
Typedef float FP32;/*单精度浮点数（32位长度）*/  
Typedef double FP64;/*双精度浮点数（64位长度）*/  
Typedef INT32U OS_STK;/*堆栈是32位宽度*/  
_swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void);/*关中断*/  
_swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void); /*开中断*/  
#define OS_STK_GROWTH 1/*堆栈由高地址向低地址增长*/  

3.1.2 OS_CPU_A.ASM文件的移值  

OS_CPU_A.ASM文件要实现在多任务启动函数中调用OSSTartHightRdy()，任务切换函数OSCtxSw()，中断任务切换函数OSIntCtxSw()和时钟节拍服务函数OSTickISR（）这4个汇编函数的改写。上层任务调度部分不需要任何改动。

3.2 系统任务划分及调度  

3．2．1 系统任务划分  

嵌入式实时系统中的任务不同于前后台系统中的子程序模块，任务是处理机按程序处理数据的过程，是个动态的概念。一般，一个任务对应于一段独立的主程序。它可以调用各种子程序，并使用各种系统资源如中断、外设等，以完成某种预定的功能，且允许多个任务并行运行。嵌入式系统任务划分，是将系统中所有要处理的事情划分为一个个相对独立的任务模块，所有待处理的任务模块按顺序建立一个个的任务，并分配任务的优先级。在主程序中，所需要做的工作只是建立这些模块的任务，然后每次执行就绪任务队列中优先级最高的任务。根据微型爬壁机器人控制系统的性能指标和技术要求，对可系统进行如下的任务划分：前进、后退、左转弯、右转弯、串行通信、数据采样与数据处理等任务。  

3．2．2 任务调整  

μC/OS-II的任务调度是按优先级进行的，根据各任务的实时性要求及重要程度，分别置它们的优先级为10、9、5、6、12、11，其中0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO3、OS_LOWEST_PRIO2、OS_LOWEST_PRIO1、OS_LOWEST_PRIO0这几个优先级保留以被系统使用。优先级号越低，任务的优先级越高。  

为了在后台实时检测同步信号的变化，及时产生相应的事件，可直接利用嵌入式微控制器所提供的各种中断，通过对中断服务处理程序传递信号量，来唤醒等待同步信号的任务，使这个任务从挂起状态到就绪状态，送到CPU执行，从而达到实时处理的目的。  

在多任务系统中，消息、信号是系统能够在各个任务之间通信最常用的手段，其中，使用信号量是协调多任务最简单有效的手段。在μC/OS-II中，一个任务或者中断服务子程序，通过事件控制块来向另外的任务发信号。当微型爬壁机器人启动之后，首先通过接触传感器和压力传感器检测4只吸盘是否很好的与壁面吸合；同时，通过红外传感器检测前面是否有障碍物。如果一切正常就发送信号量给直线前进任务，直线前进任务接受到信号量开始运行，通过协调控制12个电机并配合相应传感器使爬壁机器人沿直线运行。当红外传感器检测到前面有障碍物时，会进入中断程序，在中断程序中发送信号给停止任务，停止任务接收以信号量后运行。首先使机器人停下来调整好姿势确保机器人四足吸在壁面上，然后发送信号量唤醒左转或者右转任务，控制机器人绕过障碍物。以后还可以给微型爬壁机器人配备微型摄像头，对目标现场进行实时数据采集。总之，在微型爬壁机器人的控制系统中，信号、消息不断传递，使得各个任务不断切换运行，整个系统得以正确运转工作。  

4 未来的工作  

因为微型爬壁机器人的关键技术是基于微机械电子技术、微驱动器技术、微传感器技术、高分子材料技术等方面，所以只有在这些方面有所突破，微型爬壁机器人才能走向实用化。所设计的微型爬壁机器人目前只能采用半闭环控制，因为微型电机没有理想的位置反馈传感器，所以目前只能通过反复和实验测出各位置的时间，然后通过时间来控制微型电机的转动位置，在以后的研究工作中，我们希望能在微型传感器方面有所突破。