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基于RTX51的排爆机械人嵌入式节制器软硬件开辟

发布时间:2019-05-02   来源:本站原创

  手艺能够较好地处理这类问题。 本文概述了上海交通大学机械人研究所研制的新型遥控挪动式排爆机械人PBJ-1的嵌入式节制系统固件的环境。操纵

  手艺开辟适合排爆等各类遥控地面挪动机械人利用的嵌入式节制系统可以或许处理上述各种矛盾。 1 PBJ-1功能引见 目前国示上比力风行的排爆机械人,都需要由颠末特地培训的操做人员通过操做一组别离节制机械臂上各个关节驱动电机的按键节制,操做很未便利。操做人员需要按照情况,判断出需要机械手施行的动做,再颠末大脑的转换,手工节制机械臂各个关节挨次动做,使机械手爪拟合出一条空间轨迹以完成功课,大大降低了工做效率。这类排爆机械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,以便操做人员决定下一步动做。 新型排机械爆人PBJ-1为了使操做人员愈加便利,正在嵌入式节制器中嵌入式机械人运转算,可以或许实现机械臂的自从联动节制。操做者只需通过旁不雅节制箱的显示器,间接节制器号令机械人程度前、后或垂曲上、下活动,机械臂能够及时进行机械人活动算和分化运转节制,节制机械手爪完成空间的曲线拟合活动。这种操做体例略过了操做人员正在大脑中前进履做转换的步调,大大便利了排爆这一高性功课现场的功课。 为了便利现场操做,正在其嵌入式节制器系统中还插手了机械人的一些半自自动做功能。例如当机械人完成功课后机械臂能够从动折又叠归位;机械臂能够从动进入功课最佳操做姿势;当操做不其时,节制器能够自从打消操做人员发送的号令,以避免机械臂取车体之间的碰撞等。 为防止爆炸物被可骇遥控,爆炸物品的拆除现场一般都要做电磁屏障处置,不克不及利用无线遥控型机械人,只能采用有缆遥操做挪动机械人。因为爆炸物品的拆除功课性很大,所以对排爆机械人的通信系统的靠得住性要求很高。PBJ-1是通过RS-485和谈实现彼此之间远距离、高速、高靠得住性通信。操做人员能够通过上位节制箱里的液晶显示器功课现场的形态;通过操做各类动做按钮及杆节制机械从完成各类功课。节制箱有六组4位数显LED,别离显示机械人型号(PBJ1)、通信形态(run或Err)、大小臂关节角、机械人及车体活动速度、机械人电源及时电压。这些都了操做人员能够全面领会机械人具体运转形态,挨次完成功课。 2 PBJ-1嵌入式节制系统设想 遥操做机械人因为工做于非布局中,现实期望活动轨迹未知,所以需要按照操做者的及时操做环境前进履态及时的方针生成及轨迹规划,并完成响应的活动节制。 因为这台新型排爆机械人功能加强,下位机微节制器需要及时完成机械人活动学及分化活动节制解算,并驱动各个接口器件及时节制机械人运转,还要上、下位机之间的一般通信毗连,及时、敏捷、高靠得住性地响应上位机颠末处置的数据而且上传机械人本估的各类形态消息,承担很沉。因而若何合理地进行系统固件法式设想成为决定该机械人现实运转结果的环节。 要实现所述的功能,微节制器的使用必需可以或许同时进行多使命或工做的施行。因而,保守的基于单使命挨次轮回机制的法式设想方式难以胜任,如图2所示。因而,需要找到一种新的合适的节制器设想方式。因为微节制器系统功能凡是能够分化为多个相对的模块,将这些模块理解为使命,从而可引入多使命机制进行办理。引入多使命机制后,能够无效地改善法式布局,满脚使用法式复杂的按时要求。正在多使命机制下,CPU的运转时间被划分成很多小的时间片,由某种安排算法按分歧的优先级别分派给分歧的使命。多个使命别离正在各自的时间片内拜候CPU,从而发生了微不雅上轮番运转、宏不雅上并交运转的多使命结果,如图3所示。 正在多使命

  中,合理的使命安排必不成少。纯真通过提高处置器速度无法达到目标,如许就要求嵌入式系统的软件必需具有多使命调试能力。因而必需基于多使命及时操做系统进行嵌入式系统固件开辟。 及时操做系统的首要使命是调试一切可艇的资本完成及时节制使命;其次才着眼于提高计较机系统的利用效率。其主要特点是通过使命安排对主要事务正在的时间内做出准确的响应。及时操做系统既能对的消息以脚够快的速度进行响应处置,又能并交运转多个使命,具有及时性和并行性的特点,因而能很好地完成对多个消息的及时丈量、处置并进行响应的多个及时节制。 PBJ-1上下位机嵌入式节制器都是以业界典范51内核加强型单片机AT89C55WD为焦点;基于嵌入式及时操做系统RTX51Tiny开辟固件法式。通过供给必不成少的系统办事,如信号量办理、动静队列、延时等,及时内核使CPU的操纵更为无效。 2.1 RTX51简介 RTX51是Keil公司开辟的一种使用于MCS51系列单片机功能强大的、可用于目宿世界上所有由Intel 8051尺度内核派生出的350多种加强微节制器的及时操做系统。利用RTX51可实现法式按时间片和抢先的使命安排,而且支撑事务和信号驱动。 RTX541有四个版本:RTX51Full和RTX51Tiny。RTX51Full答应4个优先权使命的轮回和切换,而且可以或许并行地操纵中缀功能。RTX51Full能够从内存池中申请和内存,同时能够强制一个使命遏制施行期待一个个中缀,或者是其它中缀传来的信号量或者动静。RTX51Tiny短小精干,是RTX51Full的一个子集,只占用900字节ROM、7字节DATA型及3倍于使命数量的IDATA型RAM空间,能够很容易地运转正在没有扩展外部存储器的单片机系统上。利用RTX51Tiny的法式能够拜候外部存储器,答应轮回使命切换,而且支撑信号传送,还能并行地操纵中缀功能。RTX51Tiny答应“准并行”同时施行几个使命。每一个使命正在事后定义好的时间片内得以施行。时间到使正正在施行的使命挂起,,开使另一个使命起头施行。最新的RTX51Tiny2.0从头调整了内核布局,利用更矫捷、施行更快、占用的资本更少,别的还增辑几个新的特征。 RTX51Tiny内核完全集成正在Keil C51编译器中, 以系统函数挪用的体例运转,因而能够很容易地利用Keil C51言语编写和编译一个多使命法式,并嵌入到现实使用系统中。内核次要供给以下函数供使用法式援用,见表1。表1 RTX51Tiny次要系统函数申明 系统函数 文字申明 isr_send_signal 从一个中缀发送一个信号到一个使命。 os_clear_signal 删除一个发送的消息。 os_create_task 挪动一个使命到运转队列。 os_delete_task 从运转队列中删除一个使命。 os_running_task_id 前往当前运转使命的使命标识符(task ID)。 os_send_signal 从一个使命发送一个信号到另一个使命。 os_wait 期待一个事务。 RTX51Tiny的用户使命具有表2所列的几个形态,它们如图4所示进行切换。 表2 RTX51Tiny使命形态申明 状 态 说 明 RUNNING 当前正正在运转的使命处于RUNNING形态。统一时间只要一个使命能够运转。 READY 期待运转的使命处于READY形态。正在当前运转的使命处置完成后,RTX51 Tiny起头下一个处于READY形态的使命。 WAITING 期待一个事务的使命处于WAITING形态。若是事务发生的话使命进入READY形态。 DELEFTED 没有起头的使命处于删除形态。 TIME-OUT 被时间片超时终端的使命处于TIME-OUT形态。这个形态取READY形态不异。 为了使命正在施行挨次上的协调,必需采用同步机制。内核用以下事务进行使命间的通信和同步: (1)SIGNAL:用于使命之间通信的位,能够用系统函数进行置位或断根。若是一个使命挪用了os_wait函数期待SIGNAL而SIGNAL未置位,则该使命被挂起曲到SIGNAL置位,才前往到READY形态,并可被再次施行。 (2)TIMEOUT:由os_wait函数起头的时间延时,其持续时间可由按时节奏数确定。带有TIMEOUT值挪用os_wait函数的使命将被挂起,曲到延时竣事,才前往到READY形态,并可被再次施行。 (3)INTERVAL:由os_wait函数起头的时间间隔,其持续时间可由按时节奏数确定。带有INTERVAL值挪用os_wait函数的使命将被挂起,曲到间隔时间竣事,才前往到READY形态,并可被再次施行。取TIMEOUT分歧的是,使命的节奏计数器不复位。 RTX51Tiny采用微节制器(51)内部按时器T0来发生按时节奏,各使命只正在各自分派的按时节奏数(时间片)内施行。其时间片用完后,切换至下一使命运转,因而各使命是并发施行的。RTX51Tiny安排法式定义这些使命按照下面的法则运转: (1)若是呈现以下环境,当前运转使命中缀: ①使命挪用os_wait函数而且指不按期事务没有发生; ②使命运转时间跨越定义的时间片轮超不时间。 (2)若是呈现以下环境,则起头另一个使命; ①没有其他的使命运转; ②将要起头的使命处READY或TIME-OUT形态。 2.2 嵌入式操做系统的特殊问题处置 正在RTX51下进行多使命编程取保守的挨次轮回单使命编程比拟有以下几个值得留意的分歧点:(1)多使命编程CPU是轮番施行每个使命,能够将每个使命设想成死轮回的模式,不竭反复地进行数据计较或者拜候硬件,不会影响此外使命的施行。当一个使命的数据计较完成后,能够通过os_wait函数将CPU交出施行此外使命。而单使命模式却独有了所有的CPU资本,时常要担忧能否施行时间太长而不克不及及时响应外部的异步事务。(2)多使命编程有一个错误谬误,即资本冲突和沉入问题。所谓资本冲突就是使命A正在拜候某个资本时,刚好发生了使命切换,使命B也拜候这个资本,且改变了它的形态,如许当再次施行使命A就可能发生冲突或带来不确定性。而所谓沉入是指假设使命A正在运转某个函数,发生使命切换后,使命B也运转这个函数,如许就会使命A施行这个函数的现场,从而可能导致使命A施行函数时成果不准确。这种问题特别容易呈现正在串行接口器件的操做中,例如串口、串行的A/D、D/A器件等。 正在本嵌入式机械人节制器开辟过程中,采用这种处置法子:将对每个的硬件(例如串行通信)进行操做的驱动法式段放正在一个使命中,也就是说要想对某个设备资本进行操做,只要依托施行响应的使命来实现。如许无论何时切抽换使命,都不会对任何的“外设”形成影响。如许做完全避免了资本冲突和沉入问题并且操纵系统取升级。各个使命之间要实现通信,能够挪用os_send_signal函数及全局变量。 正在嵌入式节制系统开辟中自创了Windows动静驱动的思惟,使部门不需要一直施行的使命处于期待信号形态,如许它们不会占用资本。只要当需要进行响应处置时通过需要它们运转的使命发送给它们SIGNAL,它们才会进入RUNNING使命队列中,获得施行。相关的系统函数为: os_wait(K_SIG,0,0); //期待信号 os_send_signal(Task_ID)://向Task_ID使命发送一个信号。 如许的处置,能够使微节制器正在无限的资本下集中精神处置好耗时且主要的工作。 2.3 排爆机械人嵌入式节制系统固件开辟 上位机嵌入式节制器固件布局如图5所示。按照节制器要完成功课的性朋分成几个使命片。图5暗示了各使命之间的关系、取外设毗连关系。整个系统被驱分成三个条理。 削减上、下位机之间数据互换的次数及数据量有益于削减下位节制器中缀机械人的活动节制转入通信和谈处置的几率,能够提高活动节制的质量。所以PBJ-1的通信部门固件法式设想没有采用保守的按时向下位机传送输入设备的形态这种通信承担的方式,而是基于动静驱动的思惟。通信使命依托输入设备检测使命施行的成果来决定能否激活、进入动静队列以实现节制器之间的通信。如许只要当操做者现实改变了输入设备的形态,上位机才向下们机发送响应的消息。操纵动静驱动思惟来开辟通信法式十分便利、靠得住,而且大大削减了通信线的承担。为了数据传输的高靠得住性,每次数据互换都先颠末握手以确保无误。 下位机嵌入式节制器固件布局如图6所示。因为有些使命不需要一曲施行,例如机械人需要响应上位机的指令完成继电器的切换等,也将操纵os_wait函数处置,使它们日常平凡不进入RUNNING使命队列中,削减资本华侈。鄙人位机串品中缀中操纵isr_send_signal向该丿发送信号激该死使命,使得该要求获得施行。具体挪用方式如下: isr_send_signal (Task_ID);//从一个中缀发送一个信号到Task_ID使命。 通过Windows动静驱动的思惟和RTX51 Tiny及时操做系统的共同,合理分派了系统的资本。下位机节制器“集中精神”完成机械人运转学解算及分化活动节制运算这些相当耗时的使命,及时节制机械臂运转。 正在微节制器固件开辟中嵌入节制系统还大大提高了系统的不变性。即便某个外设或使命呈现毛病,取之无关的使命一般不会遭到影响,不像保守的挨次轮回机制的法式设想方式中若是某一环节呈现问题会立即形成整个系统的解体。 现实整个系统的上下位机策节制器都是仅仅操纵运转于22.1184MHz频次下的AT89C55WD就很好地达到了预期方针。该系统正在随便屡次地别离开关上下位机电源、遭到较强电磁干扰、大功率电机屡次启动、制动形成系统电源电压波动较大苛记得的运转测试中均表示出了很是高的不变性取数据传国便精确性。整个系统正在运转中即便呈现了通信失败(报酬堵截通信线咱或部门电源),当毛病解除后,上、下位机能够敏捷从动恢复一般的通信形态没有呈现误动做。 笔者为新型爆机械人PBJ-1先后开辟了两套节制器固件法式,采用完全一样的硬件平台。一套是基于保守的挨次轮回机制,起头结果不抱负,后来自创动静驱动思惟改历程序架构才满脚了要求。开辟过程中破费了不少时间来调试。另一套就是本文所述的基于RTX51 Tiny嵌入式及时操做系统开辟的,现实运转结果相当好,可是破费的时间很少,并且很容易添加新的功能。 实践表白,正在系统复杂、对及时性和精度要求比力严酷,而且需要并行处置的使命较好的活动节制系统中,利用RTX51 Tiny是一个较好的处理法子。此外,利用RTX51 Tiny及时操做系统,会加速嵌入式节制系统的开辟速度,降低软件编写的复杂度,提高产物的开辟效率。和功能扩展都很是便利。

  及时操做系统RTX51开辟工做于非布局中的遥操做机械人节制系统能够无效地提高整个机械人系统的机能及开辟效率。环节词:排爆机械人 及时操做系统 微节制器 RTX51 排爆机械人(EOD robot)是一种遥操做地面挪动机械人,操做机从体一般是由一个机械手和一个可挪动平台构成,次要用于拆除疑似爆炸物品,以削减功课现场人员伤亡,是部分必需配备的设备。目前国际前次要风行美国Remotec公司的Andros系列排爆机械人、法国Cybernetics公司研制的TRS200中型排爆机械人等。可是国外的排爆机械人价钱过高,呈现毛病后维修出格未便利。因而国度863专家组曾经将高机能排爆机械人的研发及国产化列入了沉点支撑的课题。 因为各种缘由,目前的排爆机械人良多只采用PLC实现点动节制,功能无限且操做性较差。研究高机能节制器成排爆、消防等各类遥操做地面挪动机械人的配合课题。操纵先辈的

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