科技与创新┃Science and Technology & Innovation ·16·
文章编号：2095－6835（2016）02－0016－02
爬壁机器人应用嵌入式控制的探讨
马勇利
（大连理工大学机械工程与材料能源学部，辽宁大连 158100）
摘 要：爬壁机器人的运行速率高、跨障碍性好、适应性强。为了强化其运动控制，特在机器人驱动控制方案中加入了嵌入式控制系统，凸显系统的实时性和专业性，以满足机电控制系统对实时性提出的要求。通过深入分析爬壁机器人的驱动和控制原理，探讨如何有效地在爬壁机器人本体中安装嵌入式控制系统，从而提高机器人的实时操作和控制能力。 关键词：爬壁机器人；驱动控制系统；嵌入式控制；模块设计
中图分类号：TP242 文献标识码：A DOI：10.15913/jki.kjycx.2016.02.016旋压皮带轮
1 嵌入式系统控制及其特征
嵌入式系统是指利用计算机技术裁剪软件和硬件，满足用途、成本、能耗等方面要求的计算机控制系统。其硬件主要包括微处理器（控制器）、存储器、外围器件和I/O接口等；软件主要包括操作系统EOS和相关的应用程序。微处理器和操作系统是该系统的关键组成部分。该系统主要针对特定应用实现了计算机电子技术、半导体技术在不同领域的有机结合。在设计系统的过程中，需权衡功用、能耗和成本3个指标，以实现设计方案的最优。
嵌入式系统主要有以下几个特征：①内核小。与通用的操作系统相比，嵌入式系统的内核仅占5 kB左右。②专业性强。软件、硬件紧密结合，个性化很强，可以根据任务需要移植硬件，通过程序编译下载、更改系统。③简化系统。整个系统内无冗余成分，有效降低了成本，保证了系统的安全性。④强实时性。系统内的软件代码必须固化储存，以保证其运行率。⑤系统开发的专门性。相关人员不能自主开发嵌入式系统，而用户也不能擅自修改它，必须在特定的开发环境中使用配套的开发工具，主要包括宿主机和目标机。其中，前者用于程序开发，后者用于执行开发，两者可以在不同的机型上进行交叉式开发。
机器人控制系统主要由CPU存储系统、气动模块、电缸驱动模块、电机驱动模块、多路传感器模块、通信模块、人机交互模块和电源模块组成。多路传感器嵌入式系统模块如图1所示，主控制系统电路原理如图2所示。
螺旋焊缝钢管图1 多路传感器嵌入式系统模块
图2 主控制系统电路原理图2 嵌入式系统模块设计
2.1 CPU和存储系统的设计
在整个嵌入式控制系统中，CPU是非常重要的一部分，它承担着外设协同工作，所以，必须符合数据算法处理的相关要求。嵌入系统中的CPU主要有2种：①DSP，主要用于处理数字信号；②ARM，其能耗低、成本低、性能高。
在该模块中，存储器主要用于储存数字图像和工作状态参数。因为储存的内容不同，所以，储存容量和速率也不相同。存储数字图像时，要求容量大、存取速度快，因此，可以选用型号为SST39VF160的Flash存储器，其内存为2 M，存储器与CMOS 兼容，可直接连接LPC2214并口，具体运行情况如图3所示。
图3 存储器运行图
2.2 气路真空检测
气路真空检测主要检测的是吸盘能否达到真空状态，是否具有吸附功能。在爬壁机器人运行的过程中，吸盘接触到壁面后，要经过一段时间才能保证盘内的真空度达到-0.8 bar。在这段时间内，另一组吸盘必须保证其吸附性，保证有足够的吸附力。当吸盘内的真空度维持在-0.8 bar时，才能让另外一个吸盘脱离墙壁，使机器人完成下一步操作。为了保证吸盘真空度的精确性，在具体的操作过程中，可以利用真空开关将真空压力转化为电信号，将压力门的阈值调整为-0.8 bar，从而实现机器人的自动化智能操作。真空开关与CPU的信号连接电路如图4所示。
图4 真空开关与CPU的信号连接电路图
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制备乙酸乙酯的装置文章编号：2095－6835（2016）02－0017－02
邓新文，周学滨，张 梦，刘文思
（91439部队97分队，辽宁 大连 116000）
摘 要：实船爆炸试验是检验舰艇抗冲击能力最直接、最有效的手段。实船爆炸试验对海区等环境的要求高，且水下爆炸对舰艇的作用复杂，各种影响因素较多，在实际试验中往往很难满足考核要求。因此，利用数值法对舰艇在不同攻角状态下的实船爆炸试验冲击响应进行了对比分析。对比结果表明，在相同冲击因子的作用下，不同攻角对试舰的Mises 应力和冲击加速度幅值有一定的影响，但不影响加速度等的冲击响应衰减规律。 关键词：爆源；爆炸试验；攻角；冲击响应
流(H)中图分类号：U661.4 文献标识码：A DOI ：10.15913/jki.kjycx.2016.02.017
舰艇抗水下爆炸冲击能力研究是舰艇生命力研究中的重要内容之一，世界各国均十分重视。美国海军对舰艇抗冲击制定了严格的考核标准，各种新研制的舰艇都要经过5次海上实船爆炸试验，舰艇长度＜100 m 的需通过1 000 kg 的爆源的实船爆炸冲击考核，舰艇长度＞100 m 的需通过4 500 kg 的爆源的实船爆炸冲击考核。
在水下爆炸比空中爆炸复杂得多，对目标的毁伤机理区别较大。在实船爆炸试验设计中，通常以一定的攻角进行试验设计，比如在某型艇抗冲击试验中，以40°爆源攻角进行试验考核。试验中，随着爆距的增加，当爆距大于80 m 时，部分试验海区的水深将无法满足试验要求，因此，需要减小试
验攻角。
为了研究不同攻角工况下，相同冲击因子对实船爆炸试验冲击响应的影响，本文采用数值仿真计算软件ABAQUS 中的声固耦合方法，模拟了水下非接触爆炸作用下舰船的响应，并对不同攻角条件下典型测点的冲击响应进行了对比分析。
1 水下爆炸目标冲击因子的计算方法
由于水为密实介质，水下爆炸比空中爆炸要复杂得多，相同的爆源当量在水下爆炸的杀伤力要远大于在空中爆炸。大量文献表明，水下非接触爆炸所产生的冲击波载荷、气泡 载荷等都会对舰船结构造成破坏，但在不同工况下，毁伤要素和毁伤模式均不同。对目标水下爆炸载荷的计算方法如图1所示。
图1 水下爆炸冲击载荷的计算
SF （1） 式（1）中：SF 为壳体冲击因子；R 为爆源到靶船的斜线距离；W 为爆源当量。 2 计算工况设置
本文根据某型舰实船爆炸试验工况，设定舰船右侧为迎爆面，爆源为1 000 kg 的TNT ，试验爆距从远到近分为4个工况。为了对比船体在相同冲击因子、不同攻角作用下的冲击响应，将每个冲击因子分别置于30°、40°的计算工况，共设计了8个计算工况。计算工况设置如表1所示。
2.3 电源模块设计
在嵌入式控制系统中，LPC2214芯片中有4组电源输入，即数字3.3 V 、数字1.8 V 、模拟3.3 V 和模拟1.8 V 。嵌入式系统的电源设计主要采用模拟3.3 V ，CPU 等硬件的芯片供电也都采用该组电源输入。另外，当系统的运行频率保持在50 MHz 以上，并且严格要求电源的纹波时，可利用电源监视设备保证电压的稳定性，从而保证系统工作的稳定性。一般情况下，一个系统内有3组电源和电源监视模块。电源监控模块是SP708S ，系统上电之后，可利用电源监控系统保持电源的稳定性。当电压低于3.0 V 时，系统会自动触发CPU 复位，防止意外的发生。电源监控模块的设计如图5所示。
系统中大多数芯片所需的电压为 3.3 V ，这些芯片包括ARM 、SRAM 、FLASH ROM 和RS-485收发器等。为了满足低功耗的要求，ARM 芯片内核可采用1.8 V 电源（其I/O 电源为3.3 V ）。 3
结束语
本文详细介绍了爬壁机器人运行过程中的主要特征及其运
行弊端，凸显出嵌入式系统的实时性能和专业性能，以期为日后的相关工作提供参考。
图5 电源监控模块的具体设计
参考文献
［1］周雪峰，江励，朱海飞，等.一个模块化机器人平台的设计
［J ］.华南理工大学学报（自然科学版），2011（04）. ［2］曹建福，汪霖.模块化工业机器人嵌入式控制系统的研究［J ］.
控制工程，2013（02）.
火锅红〔编辑：白洁〕
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