基于ARM的嵌入式系統在機器人控制系統中的應用

隨著科學技術的發展，機器人將在太空探測、救災防爆、海洋開發等領域有著廣闊的應用前景，因而其發展正在成為國內外研究人員關注的焦點[1,2,3]。分析上述各種用途的機器人，其構成不外乎機構本題和控制系統兩大部分。機構本體在體現機器人特色的同時，也決定了其必然是無人系統，在惡劣的

環境下，機器人要具備一定的自主能力。這就要求機器人有一定的“判斷能力”和“想法”，需要復雜的算法，包括運動算法和模式識別算法。一般的微處理器是無法完成這項任務，而上述各種機器人又無法使用計算機控制作業，32位微處理器和嵌入式操作系統的出現解決了此問題。

嵌入式系統是指以應用為核心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪，以及適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統[4,5,6,7]。作為嵌入式系統的核心，嵌入式微處理器為8位、16位或32微處理器。但由于8位和16位微處理器的運行速度、尋址能力和功耗等問題，已較難滿足相對復雜的嵌入式應用場合。在32位嵌入式應用領域內，ARM（Advanced RISC Machine）獲得了巨大的成功[8,9,10,11]。 ARM微處理器一般具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點；例如，由于它有大量的使用寄存器，指令執行速度更快，于是大多數數據操作都在寄存器中完成；它的尋址方式靈活簡單，執行效率高，指令長度固定等。在ARM中，可以嵌入嵌入式操作系統，在此系統上可完成復雜的算法，可以代替PC機完成各種任務。

本文首先介紹了嵌入式系統的結構，然后介紹如何利用嵌入式操作系統和ARM 、DSP構建機器人控制系統，最后說明使用此控制系統控制7自由度串聯機器人[12]。

2嵌入式系統的結構

嵌入式系統主要由嵌入式操作系統和承載操作系統的硬件組成。

2.1 嵌入式操作系統

嵌入式操作系統是嵌入式系統的控制中心，主要用于對系統的信息處理部件和用戶交互界面加以控制。

2.1.1嵌入式操作系統的實時性

在嵌入式領域中，實時是一個非常重要的概念。實時系統是指在確定的時間內完成規定功能，并能對外部異步事件作出正確響應的計算機系統。

實時系統的核心是必須在確定的時間內執行完一項預先定義的操作，否則將引起性能下降甚至系統崩潰等嚴重后果。需要說明的是，實時系統并不是說系統的響應和處理速度非?？?，實時系統的實時性的實現需要軟硬件的配合來完成。首先應該保證硬件的處理速度滿足實時性的要求，同時相對軟件而言，實時性體現在組成軟件系統的各個任務的執行時限。

在嵌入式系統中，評價一個實時系統的性能要從任務調度功能、內存管理功能、最小內存開銷、任務切換時間、最大中斷禁止時間等方面考慮。

2.1.2 嵌入式系統中的軟件

嵌入式系統的軟件部分，具有以下特點：

1) 嵌入式軟件的開發與硬件緊密相關。由于嵌入式軟件的開發式針對具體硬件平臺進行的，它往往牽涉硬件驅動方面的一些軟硬結合部分。

2) 軟件代碼要求高效率和高可靠性。嵌入式系統中軟件運行空間有限，內存空間非常寶貴，在軟件的編程過程中需時刻考慮軟件的運行效率。在實時系統中，處理器必須嚴格處理異步發生的各種任務。此外，嵌入式軟件系統還應有異常處理、快速復位等特點。

3) 軟件一般固化在FLASH或ROM中。為了提高執行速度和系統的可靠性，同時縮短系統復位時間，一般在嵌入式軟件調試完畢后，會下載固化到目標板中的FLASH或ROM中。

2.1.3 嵌入式系統的應用

嵌入式系統產品遍布人們的日常生活，從手機、PDA到家中的空調、冰箱，從小汽車到波音飛機，甚至武器庫中的巡航導彈，都有它的蹤跡。嵌入式產品已經在很多領域得到廣泛的使用，如國防、工業控制、通信、辦公自動化和消費電子領域等。

2.2 嵌入式系統的硬件系統

與普通的PC硬件相比，嵌入式系統的硬件系統具有以下特性：

1) 體積小，集成效率高。嵌入式系統去除了冗余，力爭用最小的系統完成目標功能。

2) 面向特定應用。

3) 低功耗，電磁兼容性好，能在惡劣環境下工作，死機時能夠快速重啟。

嵌入式系統硬件在價格、功能、體積、重量、能耗等方面都有嚴格的限制。

3系統功能與設計

3.1 系統功能

本著既能滿足多種類型機器人的實際需 要，又盡量節約資源的原則，控制系統提供的功能如下：

1) 上位機監控.響應控制臺發出的指令. 向下位機發送數據和命令；

2) 通訊總線. 現場總線，用于和其他控制器信息交互；

3) 傳感器集成.直接集成姿態、位置、深度、高度、速度、加速度等傳感器，或者預留接口；

4) 脈寬調制.用于調整電機的速度和位置，從而控制機器人的速度和姿態等；

5) A/D采集.監視工作電壓、電流、壓力等A/D量，用于系統控制或狀態記錄；

6) I/O控制.用于對外圍開關量的監控；

7) 數據記錄.用于設定參數的存儲、運動路線的定制或相關監控數據的記錄；

8) 通訊協議.便于控制器之間及機器人與上位機之間信息可靠、高效傳遞；

9) 信息處理.各種傳感器輸出數據的提取、處理及多傳感器信息融合；

10) 控制算法.下位計算法主要是前饋算法和PID算法，上位機算法視具體的機器人而定。