微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張剛 布挺 焦文潭

摘 要： 云平臺控制系統(tǒng)不能將機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給相關(guān)操作模塊，使其不能在短時間內(nèi)完成控制動作。為解決此問題，設(shè)計(jì)新型微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)。通過嵌入式控制框架設(shè)計(jì)、多直流控制電機(jī)設(shè)計(jì)、實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)三個環(huán)節(jié)，完成系統(tǒng)的硬件運(yùn)行模塊搭建；通過邏輯控制流程設(shè)計(jì)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)三個步驟，完成系統(tǒng)的軟件運(yùn)行模塊搭建。對比云平臺控制系統(tǒng)、微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，隨著新型系統(tǒng)的應(yīng)用，控制動作完成時間縮短50%，運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋速率提升50%。

關(guān)鍵詞： 微小型機(jī)器人； 遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控； 嵌入式系統(tǒng)； 多直流電機(jī)； 控制節(jié)點(diǎn)； 邏輯流程； 實(shí)時數(shù)據(jù)庫； 傳輸方式

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0158?05

Abstract： The cloud platform control system can′t feed the motion state data of the robot back to the relevant operation module， which leads to that the control action of the robot wouldn′t be realized within short time. Therefore， a new embedded remote real?time control system for micro robot is designed. The designs of embedded control framework， multiple DC control motors and real?time control node are carried out to realize the establishment of system hardware running module. The designs of logic control process， real?time database and remote data transmission mode are carried out for the establishment of the system software running module. In comparison with the running data of cloud platform control system， the control action completion time of the new system is reduced by 50%， and the feedback speed of the motion state data is increased by 50%.

Keywords： micro robot； remote real?time monitoring； embedded system； multiple DC motors； control node； logical flow； real?time database； transmission mode

0 引 言

監(jiān)控系統(tǒng)最早應(yīng)用于醫(yī)療看護(hù)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)手段的發(fā)展，其組成結(jié)構(gòu)也由最初的集中式監(jiān)控形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀藱C(jī)交互技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程監(jiān)控形態(tài)。現(xiàn)有的云平臺控制系統(tǒng)以master?worker架構(gòu)作為硬件模塊的主要連接方式。這種架構(gòu)形式通過計(jì)算傳輸節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，判斷機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸合理性，并根據(jù)具體判斷結(jié)果確定相應(yīng)的控制動作。軟件方面采用Darwin?OP平臺編寫機(jī)器人實(shí)時控制語句，并利用送達(dá)子系統(tǒng)的智能選擇性，將最為合理的語句傳輸至控制動作編輯模塊。該模塊具備信息分析、通信協(xié)議選擇等功能，可根據(jù)實(shí)時控制語句中的關(guān)鍵信息，完成系統(tǒng)控制動作的制定[1?2]。但這種以云平臺為運(yùn)行背景的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不能及時采集到機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按照既定排列方式反饋給相關(guān)操作模塊，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)控制動作延遲問題的出現(xiàn)。

為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，利用嵌入式搭建思想，設(shè)計(jì)一種新型微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)。通過建立控制體系架構(gòu)、完善實(shí)時數(shù)據(jù)庫連接方式等手段，實(shí)現(xiàn)新型系統(tǒng)的順利應(yīng)用。為驗(yàn)證新型系統(tǒng)的實(shí)用性價值，模擬運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)。分析對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)與云平臺控制系統(tǒng)相比，具備更高的可行性價值。

1 微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程，包括控制架構(gòu)設(shè)計(jì)、多直流電機(jī)設(shè)計(jì)、實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)三個部分，詳細(xì)搭建方法如下。

1.1 嵌入式控制框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型系統(tǒng)的嵌入式控制框架包含微控制器、核心應(yīng)用平臺兩個主要部分。其中，微控制器可捕捉微小型機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，并在特定硬件IP的支持下，建立運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的映射空間，并根據(jù)其中數(shù)據(jù)的存在形式確定適合該數(shù)據(jù)的功能模型，完成微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集處理。核心應(yīng)用平臺中包含大量系統(tǒng)連接協(xié)議，且每種協(xié)議與每種微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)間保持一一對應(yīng)關(guān)系[3?4]。為保證機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)、相關(guān)操作模塊間的反饋及時性，系統(tǒng)嵌入式控制框架在微控制器、核心應(yīng)用平臺間增設(shè)DSP檢測設(shè)備。通常情況下，檢測結(jié)果始終為正，代表數(shù)據(jù)的反饋傳輸始終維持在較高水平；當(dāng)檢測結(jié)果為負(fù)時，DSP設(shè)備利用自身調(diào)節(jié)功能，加速反饋操作的運(yùn)行速度，達(dá)到保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸高效性的目的。具體嵌入式控制框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 多直流控制電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

多直流控制電機(jī)模塊依靠遠(yuǎn)程終端與系統(tǒng)微控制器相連，該模塊以多個額定電壓為380 V、額定電流為8.4 A的外接電機(jī)作為核心裝置。為保證系統(tǒng)正常供電，每個外接電機(jī)都與一個DSP遠(yuǎn)程電量控制裝置相連。當(dāng)微小型機(jī)器人開始執(zhí)行運(yùn)動指令時，系統(tǒng)自行進(jìn)入遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，此時所有硬件通用處理層裝置都處于待機(jī)狀態(tài)[5?6]。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的不斷增加，遠(yuǎn)程終端處理器開始感知到系統(tǒng)的用電請求，并通過傳入設(shè)備將這種請求發(fā)送給多直流控制電機(jī)。當(dāng)電機(jī)模塊的實(shí)時控制芯片感受到該請求后，對連接通用開關(guān)發(fā)出開啟指令，使多直流控制電機(jī)模塊進(jìn)入連續(xù)供電狀態(tài)。 詳細(xì)模塊設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

1.3 微小型機(jī)器人實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

微小型機(jī)器人實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)嵌入式框架的基礎(chǔ)上，通過整合CAN，UART，SRAM三種傳輸協(xié)議的方式，建立遠(yuǎn)程控制終端與實(shí)時傳輸總線間的業(yè)務(wù)聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)輸入模塊采集到微小型機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)時，相關(guān)操作模塊會根據(jù)輸入系統(tǒng)的實(shí)時反饋信息，改變已接入系統(tǒng)實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量[7?8]。隨著微小型機(jī)器人運(yùn)動幅度的增大，系統(tǒng)輸入模塊采集到的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)也隨之增加，為保證每個數(shù)據(jù)都能得到有效記錄，系統(tǒng)實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也必須隨之增加。CAN，UART，SRAM三種傳輸協(xié)議都具備較高的數(shù)據(jù)依附性。大量微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)在上述三種協(xié)議的帶動下，與實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)相連，在一定程度上提升系統(tǒng)的反饋效率。詳細(xì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

2 微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，完成軟件邏輯控制流程、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

2.1 系統(tǒng)邏輯控制流程設(shè)計(jì)

微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)的邏輯控制流程包含運(yùn)動數(shù)據(jù)獲取、處理、傳輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)。當(dāng)微小型機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變時，相關(guān)操作模塊收到的反饋數(shù)據(jù)也隨之發(fā)生改變，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嵌入式控制框架結(jié)構(gòu)中的多直流電機(jī)在實(shí)時控制節(jié)點(diǎn)的調(diào)節(jié)下，始終處于變頻供電狀態(tài)，且輸出的電流、電壓幅度一直與節(jié)點(diǎn)數(shù)量保持正比關(guān)系[9?10]。在上述調(diào)節(jié)流程的促進(jìn)作用下，系統(tǒng)邏輯控制器根據(jù)多直流電機(jī)輸出頻率的變化情況，改變對微小型機(jī)器人運(yùn)動幅度數(shù)據(jù)的選取順序。這些選取結(jié)果以數(shù)字信息的形式傳輸至相關(guān)操作模塊，并在該模塊內(nèi)完成信息的解碼編輯，達(dá)到確定系統(tǒng)控制動作的目的。具體邏輯控制流程如圖4所示。

2.2 實(shí)時數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

新型嵌入式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫沿用傳統(tǒng)SQL Server存儲技術(shù)，并利用GSXT臨時數(shù)據(jù)表的記憶功能，完成微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的永久保存。當(dāng)需要存儲數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制節(jié)點(diǎn)時，系統(tǒng)中包含的param列表會根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)類型的不同，建立多個命名為.history的歷史記錄文件，并將這些文件以數(shù)據(jù)包的形式，永久存放于實(shí)時數(shù)據(jù)庫中[11?12]。為避免數(shù)據(jù)混亂現(xiàn)象的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫內(nèi)部增設(shè)特定二進(jìn)制編碼結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)可在滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，對所有存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編碼排序。具體數(shù)據(jù)庫功能E?R圖如圖5所示。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)

新型控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式包含實(shí)時傳輸、非實(shí)時傳輸兩種。其中，微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸利用系統(tǒng)I/O通信接口，完成信息的遠(yuǎn)程控制處理[13]。這種方式具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)選擇功能，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)波動幅度較大時，相關(guān)操作模塊收到的反饋結(jié)果會出現(xiàn)一定的響應(yīng)延遲，在這種影響下，系統(tǒng)控制動作的制定時間會在原有基礎(chǔ)上適當(dāng)延長[14?15]。隨著I/O通信接口的應(yīng)用，微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的波動性始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)相關(guān)操作模塊的反饋響應(yīng)延遲也得到有效控制，這也是新型控制系統(tǒng)能夠保持較高運(yùn)行速率的主要原因。微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)的非實(shí)時傳輸方式具備較強(qiáng)容錯性，且整個傳輸過程的通信波動狀態(tài)始終維持在可控狀態(tài)下。兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的詳細(xì)對比情況如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)的實(shí)用性價值，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。以2臺運(yùn)行內(nèi)存容量為16 GB，傳輸類型為DDR4的中心計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對象，隨機(jī)挑選一臺搭載新型控制系統(tǒng)，另一臺搭載云平臺控制系統(tǒng)。通過控制統(tǒng)一變量的方式，分別測量兩組系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的詳細(xì)情況見表2。

表2中CTL參數(shù)代表控制動作完成時間上限，EDF參數(shù)代表預(yù)估數(shù)據(jù)反饋效率，TAD參數(shù)代表數(shù)據(jù)總量，SRT參數(shù)代表系統(tǒng)響應(yīng)時間，RMP參數(shù)代表實(shí)時監(jiān)控參數(shù)。為保證實(shí)驗(yàn)的公平性，兩組系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 控制動作完成時間對比

在保證其他影響因素不變的前提下，分別測量微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)為1.0×109，2.0×109，3.0×109，4.0×109，5.0×109時，兩組系統(tǒng)相關(guān)操作模塊完成控制動作所需時間如圖6所示。

分析圖6可知，隨著微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)總量的增加，云平臺系統(tǒng)控制動作完成時間呈現(xiàn)逐漸上漲的趨勢。數(shù)據(jù)總量為5.0×109時，完成時間達(dá)到最大值3.0 min；隨著微小型機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)總量的增加，新型系統(tǒng)控制動作完成時間也呈現(xiàn)逐漸上漲的趨勢，數(shù)據(jù)總量為5.0×109時，完成時間達(dá)到最大值1.5 min，低于云平臺控制系統(tǒng)。與云平臺控制系統(tǒng)相比，微小型機(jī)器人嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時控制系統(tǒng)可減少1.5 min的控制動作完成時間。