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。
2.1 RTX51简介
RTX51是德国Keil公司开发的一种应用于MCS51系列单片机功能强大的、可用于目前世界上所有由Intel 8051标准内核派生出的350多种增强微控制器的实时操作系统。使用RTX51可实现程序按时间片轮转和抢先的任务调度,并且支持事件和信号驱动。
RTX51有两个版本:RTX51Full和RTX51Tiny。RTX51Full允许4个优先权任务的循环和切换,并且能够并行地利用中断功能。RTX51Full可以从内存池中申请和释放内存,同时可以强制一个任务停止执行等待一个中断,或者是其它中断传来的信号量或者消息。RTX51Tiny短小精悍,是RTX51Full的一个子集,只占用900字节ROM、7字节DATA型及3倍于任务数量的IDATA型RAM空间,可以很容易地运行在没有扩展外部存储器的单片机系统上。使用RTX51Tiny的程序可以访问外部存储器,允许循环任务切换,并且支持信号传递,还能并行地利用中断功能。RTX51Tiny 允许“准并行”同时执行几个任务。每一个任务在预先定义好的时间片内得以执行。时间到使正在执行的任务挂起,并使另一个任务开始执行。最新的RTX51Tiny2.0重新调整了内核结构,使用更灵活、执行更快、占用的资源更少,另外还增加了几个新的特性。
RTX51Tiny内核完全集成在Keil C51编译器中,以系统函数调用的方式运行,因此可以很容易地使用Keil C51语言编写和编译一个多任务程序,并嵌入到实际应用系统中。内核主要提供以下函数供应用程序引用,见表1。
RTX51Tiny的用户任务具有表2所列的几个状态,它们如图4所示进行切换。
为了保证任务在执行顺序上的协调,必须采用同步机制。内核用以下事件进行任务间的通信和同步：
（1）SIGNAL:用于任务之间通讯的位,可以用系统函数进行置位或清除。如果一个任务调用了os_wait函数等待SIGNAL而SIGNAL未置位,则该任务被挂起直到SIGNAL置位,才返回到READY状态,并可被再次执行。
（2）TIMEOUT:由os_wait函数开始的时间延时,其持续时间可由定时节拍数确定。带有TIMEOUT值调用os_wait函数的任务将被挂起,直到延时结束,才返回到
READY状态,并可被再次执行。
（3）INTERVAL:由os_wait函数开始的时间间隔,其持续时间可由定时节拍数确定。带有INTERVAL值调用os_wait函数的任务将被挂起,直到间隔时间结束,才返回到READY状态,并可被再次执行。与TIMEOUT不同的是,任务的节拍计数器不复位。
RTX51Tiny采用微控制器（51）内部定时器T0来产生定时节拍,各任务只在各自分配的定时节拍数（时间片）内执行。当时间片用完后,切换至下一任务运行,因此各任务是并发执行的。RTX51Tiny调度程序定义这些任务按照下面的规则运行:
（1）如果出现以下情况,当前运行任务中断：
①任务调用os_wait函数并且指定事件没有发生。
②任务运行时间超过定义的时间片轮转超时时间。
（2）如果出现以下情况,则开始另一个任务：
①没有其他的任务运行。
②将要开始的任务处READY或TIME-OUT状态。
2.2 嵌入式操作系统的特殊问题处理
在RTX51 下进行多任务编程与传统的顺序循环单任务编程相比有以下几个值得注意的不同点：
（1）多任务编程CPU 是轮流执行每个任务,可以将每个任务设计成死循环的模式,不断重复地进行数据计算或者访问硬件,不会影响别的任务的执行。当一个任务的数据计算完成后,可以通过os_wait 函数将CPU 交出执行别的任务。而单任务模式却独占了所有的CPU 资源,时常要担心是否执行时间太长而不能及时响应外部的异步事件。
（2）多任务编程有一个缺点,即资源冲突和重入问题。所谓资源冲突就是任务A在访问某个资源时,恰好发生了任务切换,任务B也访问这个资源,且改变了它的状态,这样当再次执行任务A时就可能发生冲突或带来不确定性。而所谓重入是指假设任务A在运行某个函数,发生任务切换后,任务B也运行这个函数,这样就会破坏任务A执行这个函数的现场,从而可能导致任务A执行函数时结果不正确。这种问题尤其容易出现在串行接口器件的操作中,例如串口、串行的A/D、D/A器件等。
在本嵌入式机器人控制器开发过程中,采用这种处理办法:将对每个独立的硬件（例如串行通讯）进行操作的驱动程序段放在一个任务中,也就是说要想对某个设备资源进行操作,只有依靠执行相应的任务来实现。这样无论何时切换任务,都不会对任何独立的“外设”造成影响。这样做彻底避免了资源冲突和重入问题而且利于系统维护与升级。各个任务之间要实现通信,可以调用os_send_signal函数及全局变量。
在嵌入式控制系统开发中借鉴了Windows消息驱动的思想,使部分不需要始终执行的任务处于等待信号状态,这样它们不会占用资源。只有当需要进行相应处理时通过需要它们运行的任务发送给它们SIGNAL,它们才会进入RUNNING任务队列中,得到执行。
这样的处理,可以使微控制器在有限的资源下集中精力处理好耗时且重要的事情。
2.3 排爆机器人嵌入式控制系统固件开发
上位机嵌入式控制器固件结构如图5所示。根据控制器要完成作业的独立性分割成几个任务片。图5表示了各任务之间的关系、与外设连接关系。整个系统被区分成三个层次。
减少上、下位机之间数据交换的次数及数据量有利于减少下位控制器中断机器人的运动控制转入通讯协议处理的几率,可以提高运动控制的质量。所以PBJ-1的通讯部分固件程序设计没有采用传统的定时向下位机传送输入设备的状态这种高通讯负担的方法,而是基于消息驱动的思想。通讯任务依靠输入设备检测任务执行的结果来决定是否激活、进入消息队列以实现控制器之间的通讯。这样只有当操作者实际改变了输入设备的状态,上位机才向下位机发送相应的信息。利用消息驱动思想来开发通讯程序十分方便、可靠,并且大大减少了通讯线路的负担。为了保证数据传输的高可靠性,每次数据交换都先经过握手以确保无误。下位机嵌入式控制器固件结构如图6所示。
图5 上位机嵌入式控制系统固件结构
图6 下位机嵌入式控制系统固件结
由于有些任务不需要一直执行,例如机器人需要响应上位机的指令完成继电器的切换等,也将利用os_wait函数处理,使它们平时不进入RUNNING任务队列中,减少资源浪费。在下位机串口中断中利用isr_send_signal向该任务发送信号激活该任务,使得该要求得到执行。
通过Windows消息驱动的思想和RTX51 Tiny实时操作系统的配合,合理分配了系统的资源。下位机控制器“集中精力” 完成机器人运动学解算及分解运动控制运算这些相当耗时的任务,实时控制机械臂运动。
在微控制器固件开发中嵌入操作系统还大大提高了系统的稳定性。即使某个外设或任务出现故障,与之无关的任务一般不会受到影响,不像传统的顺序循环机制的
程序设计方法中如果某一环节出现问题会立刻造成整个系统的崩溃。
实际整个系统的上下位机微控制器都是仅仅利用运行于22.1184MHz频率下的AT89C55WD 就很好地达到了预期目标。该系统在随意频繁地分别开关上下位机电源、受到较强电磁干扰、大功率电机频繁启动、制动造成系统电源电压波动较大等苛刻的运行测试中均表现出了非常高的稳定性与数据传输准确性。整个系统在运行中即使出现了通讯失败（人为切断通讯线路或部分电源）,当故障排除后,上、下位机可以迅速自动恢复正常的通讯状态没有出现误动作。
笔者为新型排爆机器人PBJ-1先后开发了两套控制器固件程序,采用完全一样的硬件平台。一套是基于传统的顺序循环机制,开始效果不理想,后来借鉴消息驱动思想改进程序架构才满足了要求。开发过程中花费了不少时间来调试。另一套就是本文所述的基于RTX51 Tiny嵌入式实时操作系统开发的,实际运行效果相当好,但是花费的时间很少,而且很容易增加新的功能。
实践表明, 在系统复杂、对实时性和精度要求比较严格,并且需要并行处理的任务较多的运动控制系统中,使用RTX51Tiny是一个较好的解决办法。此外,使用RTX51Tiny实时操作系统,会加快嵌入式控制系统的开发速度,降低软件编写的复杂度,提高产品的开发效率。维护和功能扩展都非常方便。
