《嵌入式图形系统设计助力救生机器人蜘蛛》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式图形系统设计助力救生机器人蜘蛛（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、嵌入式图形系统设计 助力救生机器人蜘蛛现已成功完成功能 强大且性能优异的机 器人的构建，而且， 通过采用用于 Blackfin处 理器的 LabVIEW嵌入 式模块所提供的图形 化编程环境，以及 Blackfin处 理器的高处理器性 能，开发周期也大为 缩短。- Pom Yuan Lam, Nanyang Polytechnic, SingaporeThe Challenge:设计高机动性与高自 由度的机器人,以於 严苛环境中执行重要 的救生任务。The Solution:将图形化系统设计, 整合高处理效能与极 低的能源耗用模式, 建立 6 脚式的多 功能机器机器人蜘蛛利用其众 多的运动模式之
2、 一“爬行”挤压 通过狭小的空间。Author (s):Pom Yuan Lam - Nanyang Polytechnic, SingaporeMarco Schmid - Schmid EngineeringAnders Frederiksen - Analog Devices恶劣环境中营救任务 的设计任何救生设备的主要 目的在于，在灾难之 后的营救任务中快速 阻止尽可能多的严重 伤亡事故。谨记这一 目标，我们开始开发 了一个用于支持营救 工作的六足机器人蜘 蛛。它是一个尺寸较 小、可移动的智能机 器人，在搜寻被陷的 受害者时，它可以越 过障碍并到达通常难 以触及的地方。替代 如清扫雷区使
3、之无雷 化等危险任务中的工 作人员也是机器人蜘 蛛的另一个潜在应用 领域。我们设计了一个高度 可移动的行走方案， 它由六只独立的下肢 组成，可以任意方向 移动机器人，即使在 机器人移动通常不可 行或过于危险的地 带。行走与旋转均属 于模仿六足昆虫而得 的基本的高层次运动 模式。通过三条下肢 移动而另外三条下肢 抬高，机器人可以达 到期望的行走速度， 并提供恶劣地带所需 的足够平衡。爬行 时，机器人可以挤压 通过紧凑的空间和狭 缝。单下肢的低层次 运动步态是3D空间 内的几何原语，如长 方形或圆形轨道。多功能机电系统下肢结构与运动控制 构成了机器人蜘蛛关 键特性的一部分。 24只智能DC有刷 电
4、机共同驱动这些下 肢，并充当行走结构 中不可或缺的关节。 这样得到了一个坚固 的轻型结构，从而降 低了功耗并改善了运 动动态特性。除了这些下肢，机器 人蜘蛛的特性还在于 典型的自治机器人子 系统，其中包括机器 视觉、远程测量和无 线通信。机器人坚固 的壳体内包含有嵌入 式硬件、两节7.2 伏的锂聚合物电池和 电量测量装置。任务 参数、I/O设置和 新的运动步态均可以 通过无线通信或可移 动存储介质传递。24个自由度的智能 运动控制机器人蜘蛛的低层次 运动有赖于运行时计 算的复杂数学模型。 凭借模拟器件公司的 Blackfin处 理器的高级嵌入式计 算能力和施密德工程 公司的确定性实时服 务，机
5、器人的运动表 现得有力而平稳。来 自面向ADI公司的 Blackfin处 理器的NI LabVIEW嵌入 式模块的高层次虚拟 仪器（VI），连续 运行一个逆动力学算 法。算法包含三角函 数和矩阵运算，求解 恰当的关节角1与 2，以沿着3D空 间内的期望轨线精确 移动末端执行装置。 轨线向量根据高层次 的运动模式，沿着计 算所得的直线、长方 形或圆形轨道移动。轨道可以通过以下三 种方式编程实现： 通过学习和回放，设 计和培训新的或特别 的模式。 支持可视化检验仿真 轨道的3D CAD 软件。这些模型作为 虚拟现实文件导出， 并导入至 LabVIEW的图 像控件。通过比较虚 拟模型与实际模型， 调
6、节机器人的运动。 运行时利用逆动力学 算法持续计算轨道。所有六足的关节角度 的计算并行完成以确 保动态运动，相应地 也得到了所有马达的 24个连续计算所得 的设置点。这些设置 点通过一个串行 RS485网络传递 至每只马达，并由分 散PD控制器转换为 实际执行动作。通过 同样的网络，完成所 有24只执行装置的 位置、反馈和温度读 数的采集。智能视觉与距离感测除了智能运动与自由 移动外，机器人蜘蛛 的特色在于它的“眼 睛”装有一个智能摄 像头和一个距离测量 传感器。目标通过高 性能图像处理算法被 定位与跟踪。通过编 程控制，它的“眼 睛”还可以识别其附 近范围内的任何颜 色。后续版本将提供 改进
7、的图像处理、模 式匹配和边缘检测等 功能，从而将 Blackfin处 理器的计算能力和高 速图像采集提升到更 高层次。利用蓝牙技术实现无 线通信 为实现与机器人的通 信，我们提供了一个 蓝牙通信接口以实现 多项功能，其中包 括： 在开发与测试中调试 用于ZMobile 的快速调试模式的通 道 读入关键参数，如马 达状态和电池电量水 平，以供系统诊断 在线采集重要的算法 参数，以供调节使用 在操作开始前下载新 的任务数据1/7在开发过程中，两个 机器人蜘蛛通过无线 通信信道相连，以实 现其移动的同步。这 是更为危急场景的原 型构造，这时接受同 一项任务的多个机器 人蜘蛛需要团队协作 以完成任务。
8、低功耗的嵌入式 ZMobile硬件超低功耗混合信号目 标平台 ZMobile是机 器人蜘蛛的核心所 在。由瑞士的解决方 案提供商施密德工程 公司提供的 ZMobile，将 传感器、激励源、视 觉、电池和无线通信 集成于单个平台。南 洋理工学院基于三个 原因选用了 ZMobile平 台。首先， ZMobile与 LabVIEW相兼 容，而且通过 LabVIEW编程 控制机器人蜘蛛，设 计人员可以专注于项 目的主要功能。借助 图形化编程的高效 率，系统工程师们可 以在开发周期中添加 比最初规范设计更多 的功能特性。其次， ZMobile的超 低能耗设计和动态功 率管理，对于自治机 器人是一项至关重
9、要 的特性，因为这样可 以显著延长工作时 间。这一点对于 ZMobile的毫 瓦级功耗同样适用， 这意味着板上的绝大 多数剩余能量可供马 达使用。第三，可扩展的处理 I/O插槽为将来集 成更多的传感器和激 励装置提供了所需的 空间。实时图形化嵌入式软 件机器人蜘蛛应用软件 是利用面向 Blackfin处 理器的 LabVIEW嵌入 式模块编程实现，后 又通过来自施密德工 程公司的面向NI LabVIEW的 ZBrain BSP进行扩展。这 为高层次编程、图形 化调试、图形化多任 务处理和确定性的实 时行为，提供了一个 理想的嵌入式软件平 台。面向对象的设计 模式有助于进一步控 制图形化层次上的
10、复 杂度。例如马达或传 感器等主要对象，通 过LabVIEW中 表示类的功能性全局 变量加以抽象。主要的应用框架由以 下多个任务组成： 顶层主循环对由一个 经典状态机表示的动 作进行规划，而状态 机通过软件队列和同 步方法（如信号量） 与其它循环连接。通 信任务保持一个与外 部世界的无线数据连 接。 视觉任务负责低层次 的图像处理和距离读 数。 运动控制任务管理高 层次的运动模式与低 层次的肢体控制，并 监测马达的位置与状 态。 日常任务充当一个通 用错误处理器。检测 事件与异常，并将其 及时间记录到可移动 的存储介质，以供后 续读取。 ZMobile充当 看门狗的角色利 用程序设定的唤醒机
11、制重启和关机，并为 不能成功自我纠错时 提供重新启动的有效 措施。这些循环在协作式多 任务环境中以线程的 方式同时运行。驱动 程序层次上的毫秒级 上下文切换和微妙级 实时确定性，确保了 平稳、无故障的移 动。最后，严格的并 行方式要求板卡支持 软件包满足每一个软 件组件和设备驱动程 序的线程安全性。现已成功完成功能强 大且性能优异的机器 人的构建，而且，通 过采用面向 Blackfin处 理器的 LabVIEW嵌入 式模块所提供的图形 化编程环境，以及 Blackfin处 理器的高处理器性 能，开发周期也大为 缩短。施密德工程公 司独创的图形化快速 调试模式在算法的工 程实现过程中非常有 用，
12、缩短了5倍的开 发时间。 ZMobile不仅 对于机器人设计人 员，是一款用户界面 友好的嵌入式系统工 程的优秀产品，而且 对于任何构建机电系 统的设计人员也是如 此。视觉的提高、更为智 能的功率管理和能量 获取设计、传感器融 合、模糊逻辑和 GPS数据收集，都 是有望添加至通用机 电平台的组件。此 外，我们计划在未来 的移动、自治机器人 中复用这个模块化软 硬件系统。Author Information:Pom Yuan LamNanyang Polytechnic, SingaporeSingaporePOM_Yuan_Lamnyp. gov.sg2/7机器人蜘蛛利用其众 多的运动模式之 一“爬行”挤压 通过狭小的空间。3/7蜘蛛内部具有机器视 觉、距离量测,与无 线通讯装置,并由 2 组锂聚合电池供 电。4/7共 4 组智慧型马 达搭配内建的可程式 化 PD 控制器, 并透过 1 组序 列 RS485 网 路紧密5/7
