張剛 布挺 焦文潭

摘 要： 云平臺控制系統不能將機器人的運動狀態(tài)數據反饋給相關操作模塊，使其不能在短時間內完成控制動作。為解決此問題，設計新型微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統。通過嵌入式控制框架設計、多直流控制電機設計、實時控制節(jié)點設計三個環(huán)節(jié)，完成系統的硬件運行模塊搭建；通過邏輯控制流程設計、實時數據庫設計、遠程數據傳輸方式設計三個步驟，完成系統的軟件運行模塊搭建。對比云平臺控制系統、微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統的運行數據可知，隨著新型系統的應用，控制動作完成時間縮短50%，運動狀態(tài)數據反饋速率提升50%。

關鍵詞： 微小型機器人； 遠程實時監(jiān)控； 嵌入式系統； 多直流電機； 控制節(jié)點； 邏輯流程； 實時數據庫； 傳輸方式

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻標識碼： 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)控系統最早應用于醫(yī)療看護領域，隨著科學技術手段的發(fā)展，其組成結構也由最初的集中式監(jiān)控形態(tài)轉變?yōu)橐匀藱C交互技術為核心的遠程監(jiān)控形態(tài)?，F有的云平臺控制系統以master?worker架構作為硬件模塊的主要連接方式。這種架構形式通過計算傳輸節(jié)點的負載情況，判斷機器人運動狀態(tài)數據的傳輸合理性，并根據具體判斷結果確定相應的控制動作。軟件方面采用Darwin?OP平臺編寫機器人實時控制語句，并利用送達子系統的智能選擇性，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、通信協議選擇等功能，可根據實時控制語句中的關鍵信息，完成系統控制動作的制定[1?2]。但這種以云平臺為運行背景的機器人遠程控制系統不能及時采集到機器人的運動狀態(tài)數據，并將數據按照既定排列方式反饋給相關操作模塊，進而導致系統控制動作延遲問題的出現。

為避免上述現象的發(fā)生，利用嵌入式搭建思想，設計一種新型微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統。通過建立控制體系架構、完善實時數據庫連接方式等手段，實現新型系統的順利應用。為驗證新型系統的實用性價值，模擬運行環(huán)境設計對比實驗。分析對比實驗數據可知，微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統與云平臺控制系統相比，具備更高的可行性價值。

1 微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統硬件設計

微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統的硬件設計流程，包括控制架構設計、多直流電機設計、實時控制節(jié)點設計三個部分，詳細搭建方法如下。

1.1 嵌入式控制框架結構設計

新型系統的嵌入式控制框架包含微控制器、核心應用平臺兩個主要部分。其中，微控制器可捕捉微小型機器人的運動狀態(tài)，并在特定硬件IP的支持下，建立運動狀態(tài)數據的映射空間，并根據其中數據的存在形式確定適合該數據的功能模型，完成微小型機器人運動狀態(tài)數據的采集處理。核心應用平臺中包含大量系統連接協議，且每種協議與每種微小型機器人運動狀態(tài)數據間保持一一對應關系[3?4]。為保證機器人運動狀態(tài)數據、相關操作模塊間的反饋及時性，系統嵌入式控制框架在微控制器、核心應用平臺間增設DSP檢測設備。通常情況下，檢測結果始終為正，代表數據的反饋傳輸始終維持在較高水平；當檢測結果為負時，DSP設備利用自身調節(jié)功能，加速反饋操作的運行速度，達到保持數據傳輸高效性的目的。具體嵌入式控制框架結構如圖1所示。

1.2 多直流控制電機模塊設計

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

1.3 微小型機器人實時控制節(jié)點設計

微小型機器人實時控制節(jié)點在系統嵌入式框架的基礎上，通過整合CAN，UART，SRAM三種傳輸協議的方式，建立遠程控制終端與實時傳輸總線間的業(yè)務聯系。當系統輸入模塊采集到微小型機器人的運動狀態(tài)數據時，相關操作模塊會根據輸入系統的實時反饋信息，改變已接入系統實時控制節(jié)點的數量[7?8]。隨著微小型機器人運動幅度的增大，系統輸入模塊采集到的運動狀態(tài)數據也隨之增加，為保證每個數據都能得到有效記錄，系統實時控制節(jié)點的數量也必須隨之增加。CAN，UART，SRAM三種傳輸協議都具備較高的數據依附性。大量微小型機器人運動狀態(tài)數據在上述三種協議的帶動下，與實時控制節(jié)點相連，在一定程度上提升系統的反饋效率。詳細節(jié)點設計原理如圖3所示。

2 微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統軟件設計

在硬件運行環(huán)境的基礎上，完成軟件邏輯控制流程、實時數據庫、數據傳輸方式的設計，實現微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統的順利運行。

2.1 系統邏輯控制流程設計

微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統的邏輯控制流程包含運動數據獲取、處理、傳輸等多個環(huán)節(jié)。當微小型機器人的運動狀態(tài)發(fā)生改變時，相關操作模塊收到的反饋數據也隨之發(fā)生改變，為保證系統的穩(wěn)定運行，嵌入式控制框架結構中的多直流電機在實時控制節(jié)點的調節(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)點數量保持正比關系[9?10]。在上述調節(jié)流程的促進作用下，系統邏輯控制器根據多直流電機輸出頻率的變化情況，改變對微小型機器人運動幅度數據的選取順序。這些選取結果以數字信息的形式傳輸至相關操作模塊，并在該模塊內完成信息的解碼編輯，達到確定系統控制動作的目的。具體邏輯控制流程如圖4所示。

2.2 實時數據庫設計

新型嵌入式遠程控制系統的實時數據庫沿用傳統SQL Server存儲技術，并利用GSXT臨時數據表的記憶功能，完成微小型機器人運動狀態(tài)數據的永久保存。當需要存儲數據到達遠程控制節(jié)點時，系統中包含的param列表會根據實時數據類型的不同，建立多個命名為.history的歷史記錄文件，并將這些文件以數據包的形式，永久存放于實時數據庫中[11?12]。為避免數據混亂現象的出現，數據庫內部增設特定二進制編碼結構，且該結構可在滿足網絡傳輸協議的基礎上，對所有存儲數據進行統一編碼排序。具體數據庫功能E?R圖如圖5所示。

2.3 遠程數據傳輸方式設計

新型控制系統的遠程數據傳輸方式包含實時傳輸、非實時傳輸兩種。其中，微小型機器人運動狀態(tài)數據的實時傳輸利用系統I/O通信接口，完成信息的遠程控制處理[13]。這種方式具備較強的數據選擇功能，當機器人運動產生的數據波動幅度較大時，相關操作模塊收到的反饋結果會出現一定的響應延遲，在這種影響下，系統控制動作的制定時間會在原有基礎上適當延長[14?15]。隨著I/O通信接口的應用，微小型機器人運動狀態(tài)數據的波動性始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，系統相關操作模塊的反饋響應延遲也得到有效控制，這也是新型控制系統能夠保持較高運行速率的主要原因。微小型機器人運動狀態(tài)數據的非實時傳輸方式具備較強容錯性，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。兩種數據傳輸方式的詳細對比情況如表1所示。

3 實驗結果與分析

為驗證微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統的實用性價值，設計如下對比實驗。以2臺運行內存容量為16 GB，傳輸類型為DDR4的中心計算機作為實驗對象，隨機挑選一臺搭載新型控制系統，另一臺搭載云平臺控制系統。通過控制統一變量的方式，分別測量兩組系統的相關實驗數據。

3.1 實驗參數設置

實驗組、對照組實驗參數設置的詳細情況見表2。

表2中CTL參數代表控制動作完成時間上限，EDF參數代表預估數據反饋效率，TAD參數代表數據總量，SRT參數代表系統響應時間，RMP參數代表實時監(jiān)控參數。為保證實驗的公平性，兩組系統的實驗參數始終保持一致。

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，分別測量微小型機器人運動狀態(tài)數據為1.0×109，2.0×109，3.0×109，4.0×109，5.0×109時，兩組系統相關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，隨著微小型機器人運動狀態(tài)數據總量的增加，云平臺系統控制動作完成時間呈現逐漸上漲的趨勢。數據總量為5.0×109時，完成時間達到最大值3.0 min；隨著微小型機器人運動狀態(tài)數據總量的增加，新型系統控制動作完成時間也呈現逐漸上漲的趨勢，數據總量為5.0×109時，完成時間達到最大值1.5 min，低于云平臺控制系統。與云平臺控制系統相比，微小型機器人嵌入式遠程實時控制系統可減少1.5 min的控制動作完成時間。