微小型机器人嵌入式远程实时控制系统设计

张刚 布挺 焦文潭

摘 要： 云平台控制系统不能将机器人的运动状态数据反馈给相关操作模块，使其不能在短时间内完成控制动作。为解决此问题，设计新型微小型机器人嵌入式远程实时控制系统。通过嵌入式控制框架设计、多直流控制电机设计、实时控制节点设计三个环节，完成系统的硬件运行模块搭建；通过逻辑控制流程设计、实时数据库设计、远程数据传输方式设计三个步骤，完成系统的软件运行模块搭建。对比云平台控制系统、微小型机器人嵌入式远程实时控制系统的运行数据可知，随着新型系统的应用，控制动作完成时间缩短50%，运动状态数据反馈速率提升50%。

关键词： 微小型机器人； 远程实时监控； 嵌入式系統； 多直流电机； 控制节点； 逻辑流程； 实时数据库； 传输方式

中图分类号： TN919?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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

监控系统最早应用于医疗看护领域，随着科学技术手段的发展，其组成结构也由最初的集中式监控形态转变为以人机交互技术为核心的远程监控形态。现有的云平台控制系统以master?worker架构作为硬件模块的主要连接方式。这种架构形式通过计算传输节点的负载情况，判断机器人运动状态数据的传输合理性，并根据具体判断结果确定相应的控制动作。软件方面采用Darwin?OP平台编写机器人实时控制语句，并利用送达子系统的智能选择性，将最为合理的语句传输至控制动作编辑模块。该模块具备信息分析、通信协议选择等功能，可根据实时控制语句中的关键信息，完成系统控制动作的制定[1?2]。但这种以云平台为运行背景的机器人远程控制系统不能及时采集到机器人的运动状态数据，并将数据按照既定排列方式反馈给相关操作模块，进而导致系统控制动作延迟问题的出现。

为避免上述现象的发生，利用嵌入式搭建思想，设计一种新型微小型机器人嵌入式远程实时控制系统。通过建立控制体系架构、完善实时数据库连接方式等手段，实现新型系统的顺利应用。为验证新型系统的实用性价值，模拟运行环境设计对比实验。分析对比实验数据可知，微小型机器人嵌入式远程实时控制系统与云平台控制系统相比，具备更高的可行性价值。

1 微小型机器人嵌入式远程实时控制系统硬件设计

微小型机器人嵌入式远程实时控制系统的硬件设计流程，包括控制架构设计、多直流电机设计、实时控制节点设计三个部分，详细搭建方法如下。

1.1 嵌入式控制框架结构设计

新型系统的嵌入式控制框架包含微控制器、核心应用平台两个主要部分。其中，微控制器可捕捉微小型机器人的运动状态，并在特定硬件IP的支持下，建立运动状态数据的映射空间，并根据其中数据的存在形式确定适合该数据的功能模型，完成微小型机器人运动状态数据的采集处理。核心应用平台中包含大量系统连接协议，且每种协议与每种微小型机器人运动状态数据间保持一一对应关系[3?4]。为保证机器人运动状态数据、相关操作模块间的反馈及时性，系统嵌入式控制框架在微控制器、核心应用平台间增设DSP检测设备。通常情况下，检测结果始终为正，代表数据的反馈传输始终维持在较高水平；当检测结果为负时，DSP设备利用自身调节功能，加速反馈操作的运行速度，达到保持数据传输高效性的目的。具体嵌入式控制框架结构如图1所示。

1.2 多直流控制电机模块设计

多直流控制电机模块依靠远程终端与系统微控制器相连，该模块以多个额定电压为380 V、额定电流为8.4 A的外接电机作为核心装置。为保证系统正常供电，每个外接电机都与一个DSP远程电量控制装置相连。当微小型机器人开始执行运动指令时，系统自行进入远程控制状态，此时所有硬件通用处理层装置都处于待机状态[5?6]。随着系统运行时间的不断增加，远程终端处理器开始感知到系统的用电请求，并通过传入设备将这种请求发送给多直流控制电机。当电机模块的实时控制芯片感受到该请求后，对连接通用开关发出开启指令，使多直流控制电机模块进入连续供电状态。 詳细模块设计原理如图2所示。

1.3 微小型机器人实时控制节点设计

微小型机器人实时控制节点在系统嵌入式框架的基础上，通过整合CAN，UART，SRAM三种传输协议的方式，建立远程控制终端与实时传输总线间的业务联系。当系统输入模块采集到微小型机器人的运动状态数据时，相关操作模块会根据输入系统的实时反馈信息，改变已接入系统实时控制节点的数量[7?8]。随着微小型机器人运动幅度的增大，系统输入模块采集到的运动状态数据也随之增加，为保证每个数据都能得到有效记录，系统实时控制节点的数量也必须随之增加。CAN，UART，SRAM三种传输协议都具备较高的数据依附性。大量微小型机器人运动状态数据在上述三种协议的带动下，与实时控制节点相连，在一定程度上提升系统的反馈效率。详细节点设计原理如图3所示。

2 微小型机器人嵌入式远程实时控制系统软件设计

在硬件运行环境的基础上，完成软件逻辑控制流程、实时数据库、数据传输方式的设计，实现微小型机器人嵌入式远程实时控制系统的顺利运行。

2.1 系统逻辑控制流程设计

微小型机器人嵌入式远程实时控制系统的逻辑控制流程包含运动数据获取、处理、传输等多个环节。当微小型机器人的运动状态发生改变时，相关操作模块收到的反馈数据也随之发生改变，为保证系统的稳定运行，嵌入式控制框架结构中的多直流电机在实时控制节点的调节下，始终处于变频供电状态，且输出的电流、电压幅度一直与节点数量保持正比关系[9?10]。在上述调节流程的促进作用下，系统逻辑控制器根据多直流电机输出频率的变化情况，改变对微小型机器人运动幅度数据的选取顺序。这些选取结果以数字信息的形式传输至相关操作模块，并在该模块内完成信息的解码编辑，达到确定系统控制动作的目的。具体逻辑控制流程如图4所示。

2.2 实时数据库设计

新型嵌入式远程控制系统的实时数据库沿用传统SQL Server存储技术，并利用GSXT临时数据表的记忆功能，完成微小型机器人运动状态数据的永久保存。当需要存储数据到达远程控制节点时，系统中包含的param列表会根据实时数据类型的不同，建立多个命名为.history的历史记录文件，并将这些文件以数据包的形式，永久存放于实时数据库中[11?12]。为避免数据混乱现象的出现，数据库内部增设特定二进制编码结构，且该结构可在满足网络传输协议的基础上，对所有存储数据进行统一编码排序。具体数据库功能E?R图如图5所示。

2.3 远程数据传输方式设计

新型控制系统的远程数据传输方式包含实时传输、非实时传输两种。其中，微小型机器人运动状态数据的实时传输利用系统I/O通信接口，完成信息的远程控制处理[13]。这种方式具备较强的数据选择功能，当机器人运动产生的数据波动幅度较大时，相关操作模块收到的反馈结果会出现一定的响应延迟，在这种影响下，系统控制动作的制定时间会在原有基础上适当延长[14?15]。随着I/O通信接口的应用，微小型机器人运动状态数据的波动性始终维持在稳定状态，系统相关操作模块的反馈响应延迟也得到有效控制，这也是新型控制系统能够保持较高运行速率的主要原因。微小型机器人运动状态数据的非实时传输方式具备较强容错性，且整个传输过程的通信波动状态始终维持在可控状态下。两种数据传输方式的详细对比情况如表1所示。

3 实验结果与分析

为验证微小型机器人嵌入式远程实时控制系统的实用性价值，设计如下对比实验。以2台运行内存容量为16 GB，传输类型为DDR4的中心计算机作为实验对象，随机挑选一台搭载新型控制系统，另一台搭载云平台控制系统。通过控制统一变量的方式，分别测量两组系统的相关实验数据。

3.1 实验参数设置

实验组、对照组实验参数设置的详细情况见表2。

表2中CTL参数代表控制动作完成时间上限，EDF参数代表预估数据反馈效率，TAD参数代表数据总量，SRT参数代表系统响应时间，RMP参数代表实时监控参数。为保证实验的公平性，两组系统的实验参数始终保持一致。

3.2 控制动作完成时间对比

在保证其他影响因素不变的前提下，分别测量微小型机器人运动状态数据为1.0×109，2.0×109，3.0×109，4.0×109，5.0×109时，两组系统相关操作模块完成控制动作所需时间如图6所示。

分析图6可知，随着微小型机器人运动状态数据总量的增加，云平台系统控制动作完成时间呈现逐渐上涨的趋势。数据总量为5.0×109时，完成时间达到最大值3.0 min；随着微小型机器人运动状态数据总量的增加，新型系统控制动作完成时间也呈现逐渐上涨的趋势，数据总量为5.0×109时，完成时间达到最大值1.5 min，低于云平台控制系统。与云平台控制系统相比，微小型机器人嵌入式远程实时控制系统可减少1.5 min的控制动作完成时间。