（通信与信息系统专业论文）消防机器人车载控制和无线通信系统的设计与实现.pdf

沁人学硎i 学位论文消防机器人车载控制和无线通信系统的蹬计实现 摘要 消防侦察机器人系统的研究是上海市消防研究所与我校通信学院合作的国 家8 6 3 及上- 海市科委重点支持的重大项目。 该系统主要由四个部分组成：中央控制器、命令执行机构、信息采集设备和 无线通信系统。本文主要的研究内容是消防机器人车载总控制系统与无线语音数 据通信系统。 围绕系统的总体设计方案，本文对机器人运动控制、自适应的变速率语音终 端以及分等级的无线通信三个方面进行了详细的研究和阐述。中央总控制终端通 过无线网络可以实现对多个机器人集群摔制，同时也可以进行全双：l ：语音通信和 选择性视频监控。为了保障控制数据传输的可靠性，建立了以无线公网和短波电 台荫个通信链路构成的通信系统，对不同环境中不同无线通信质量( 速率) 的通 信优先级及q o s 进行了研究，制定了通信协议及规范，保证了控制数据的畅通， 语音数据及时到达，视频数据尽力传送，在实际应用中效果良好，具有创新性。 该项目采用无线公网通信技术、短波无线数据传输技术、多媒体压缩技术、 嵌入式模块控制技术及计算机辅助决策技术，解决了多通道下的各类数据的传 输、处理问题，为灾害现场的快速处置决策提供了技术支持。系统具有实时性好、 智能化程度高、安全可靠等特点。经检索，消防侦察机器人的总体研究深度和整 体技术水平居国内领先地位，达到国际先进水平。 【关键词】消防机器人，嵌入式系统，无线数字通信，分级q o s ，自适应多 速率编码器 鹃j 、学坝i 学位论文 消防机器人乍栽控制和无线通信系统的设计与实现 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sa b o u tt h ec o n t r o la n dd i g i t a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m w h i c hw a se m p l o y e do nt h ef i r ef i g h t i n gr o b o t t h i ss y s t e m - o n v e h i c l ei n c l u d e sf o u rp a r t s ：c e n t r a lc o n t r o l l e r , e x e c u t em a c h i n e s i n f o r m a t i o ng a t h e r e ra n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h e r e a l i z a t i o no ft h es y s t e m o n v e h i c l ef r o mt h r e em a i np o i n t s ：m o t i o nc o n t r o lo fr o b o t ， a d a p t i v em u l t i r a t ev o i c et e r m i n a l ，c l a s s i f i e dd a t at r a n s p o r tm e t h o d t h ep r o j e c ta r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l t h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k ，t h ec e n t r a lc o n t r o lt e r m i n a lc a nc o m m a n ds e v e r a lr o b o t s ， s e tu p f u l l d u p l e xv o i c ec o m m u n i c a t i o na n ds u r v e i l l a n c eo nd e m a n d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e dw i t hg p r sa n ds h o r t w a v et r a n s m i t t e r - r e c e i v e r p r i o r i t i e sa n dq o so fd i f f e r e n td a t a si nv a r yc o n d i t i o na r es t u d i e di n t h i s p a p e r , t r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya n dc r i t e r i o na r eg i v e n i ti se n s u r e dt h a tc o n t r o ld a t a sa l e r e c e i v e d v o i c ed a u t sa r ei nt i m ea n dv i d e od a m sd ob e s t t h i sp r o j e c ti n v o l v e dm a n yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gg p r s ，s h o r t w a v ew i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o n ，m u l t i m e d i ae o d e c ，e m b e d d e dc o n t r o l l e ra n dc o m p u t e ra s s i s t e d d e c i s i o n - m a k e r i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fd i f f e r e n td a t a st r a n s m i s s i o na n dm a n a g e m e n t c o i n s t a n t a n e o u s ，o f f e r e dat e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h er a p i dr e a c t i o na n dd e c i s i o ni n e m e r g e n c y a l lt h e s ew e r ed i s c u s s e dr o u g h l yi nt h i sp a p e lt h et e c h n i c a ll e v e lo ft h i s p r o j e c ti st h ea d v a n c e da tp r e s e n t 【k e yw o r d s1 f i r e f i g h t i n gr o b o t ，e m b e d d e ds y s t e m d i g i t a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，q o sc l a s s i f i c a t i o n , a d a p t i v em u l t i - r a t ec o d e c i i 原创性声明 本人声明：所晕交的论文是本人在导师指导下进行的研究t 作。 除了文中特别加以标注和敛谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同工作的其他同志对本研究所做的任何 炙献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解1 二海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 0 口岁3 8 渐j 、学 i ! i i i 学位诒支消防机器人车载摊制和无线通信系统的设计1 j 实聪 第一章绪论 1 1 课题背景 从 一世纪八f 年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美网 和办联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了 消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。 从功能卜划分，目前的消防机器人有下列几类：灭火机器人、侦察机器人、 攀登营救机器人和救护机器人；从控制方式来分，消防机器人可分为遥控消防机 器人和自主消防机器人。 我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位 在消防机器人的研究中取得了大量的成果，“自行式消防炮”已经投入市场，“履 带轮式消防灭火侦察机器人”也于2 0 0 0 年6 月通过了国家验收。但足，我国消 防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。研制能够用于这螋 场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会 意义。 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题用于灾害现场 的消防侦察机器人系统研究和上海市科学技术委员会科研项目消防救援机 器人研究。 1 。2 消防机器人的基本构成 消防机器人是机器人的一个分支，为了实现它的既定功能，一般包括运动机 构、传感器、控制器、能源单元、通信单元和自身保护系统等主要构件，如图1 l 所示。 机器人的运动机构是许多机械零件的集合体构成的动力学体系。在本课题所 研究的消防机器人结构中，运动机构包括：悬挂式六轮行走系统，云台升降与转 向系统( 摄像机消防炮) ，消防炮水压控制系统，以及摄像机变焦系统。 第3 贞 舟人学坝 学化论文 消防机器人车载控制和无线通信系统的设汁勺实现 无线通信链路 一二! r 控制端p c 图l 一1 消防机器人系统的构成 控制器是消防机器人的“大脑”，是机器人的核心部分，其主要功能有：枕 器人仃动的规划，使机器人有序的工作；了解工作环境，采集和存储工作现场 的信息，并进行火灾的判断和分析；与外界进行信息的交互。 为了能在恶劣的环境中工作，消防机器人必须快速准确的感知其】。作环境的 番种信息，从而对其卜一步的动作做出判断。消防机器人使用的传感器数量众多， 包括： 用于障碍感知的传感器。有接触式和非接触式两种，接触式传感器必须在机 器人接触障碍物时才能给出信息，给出信息的时间滞后，多用于慢速行走的机器 人；j 接触式传感器采用光、声波等信息介质，其测障原理类似于雷达，能在早 期给出障碍物存在的信息，从而提高机器人行走速度。 用于火灾探测的传感器，包括各种非接触式的温度传感器、热分布探测器和 嗅觉类的气体传感器等。温度传感器、热分布传感器和气体传感器是传统的用于 火灾判断的传感器，它们检测火灾发生时环境的温度变化、空间中热分布的改变 或气体成分的变化，供控制器做出判断火灾类型以及火源的位置和距离。 用于获得机器人姿态和方位的传感器。包括用于探测机器人三维姿态的电子 陀螺仪，在室外可获取机器人方位的车载g p s 接收机，可用于惯性导航的罩程 表和用于获得机器人前进速度的光码盘等。 王见场的多媒体信息传感器，包括视觉传感器和语音通信。视觉传感器可以是 各种光导摄像管、c c d 、c i d 和t v 摄像机等，可为控制人员返回直观的现场动 态厕面，方便进行远程遥控。在火场或灾难求援现场，语音通信一方面可以通过 第4 页 海j 、学倾十学位论戈 消防机器人年载控制和无线通信系统的设计与实现 扩音器对现场呼喊，引导救援；另一方面通过立体声拾音头提供现场声萏数据以 供控制人员作下一步的判断。 早蔑均的消防机器人使用有线电缆与控制端通信，接受命令，传同现场信息。 要原冈是当时可用的模拟无线通信可提供的抗干扰性能与有效带宽比较窄，无 法满足相对数据量又比较大的多媒体信息。随着无线数字通信技术和多媒体压缩 技术的发展，在消防机器人卜使用无线信道传输多媒体数据成为可能。 1 3 研究内容与论文组织 机器人车载系统的主要功能为：1 建立与远程控制端的交互通信。2 解释 与执行接受到的命令。3 采集与处理现场信息，并及时传送酬远程摔制端。本 文卞要研究消防机器人车载控制与无线通信系统的设计与实现，研究重点是交互 通信内容的产生与通信策略的实现，难点是解决恶劣环境中不同q o s 要求的业 务共享无线信道的方法。 第二章详细描述了车载控制系统的具体软硬件环境的构建方法，包括硬件选 型与连接，嵌入式操作系统与设备驱动，以及应用程序的软件结构与开发方法。 这是整个系统的基础。 第= 章洋细描述了机器人的运动控制，包括控制端命令的产生，车载系统接 收后的解释与执行方法。牵涉到命令的产生、传输与本地解释，车载控制器与 p l c 通信，运行机构的执行与基本数据反馈。这一部分的通信内容等级最高，要 求保证数据准确到达接收端。 第四章描述了在无线数字信道实现全双工的语音通信的方法，使用了可随着 网络性能自适应变化的变速率语音编码器，配合自定义的重传方法，在限制缓冲 延时的 j f 提下尽可能减少数据丢失率，保证语音通信质量。 第五章详细描述了分等级通信系统的实现。针对无线通信容易受到环境干扰 而丢失数据的缺点，对不同q o s 要求的数据采取不同的传输策略，充分利用有 限的带宽资源满足应用的需求。 第5 页 海大学帧j ：学位论史 消防桃嚣人下载控制和无线通信系统的设计与实现 第二章机器人车载系统的构成 机器人牟载系统包括实体设备，即用于完成各种功能硬件；控制逻辑，即提 供简单直观操控方法的各种应用程序；以及应用程序与底层硬件之间的接l j ，操 作系统与驱动程序。 2 1 车载系统的硬件构成 本乐统的消防侦察机器人的车载控制装置，硬件结构如图2 1 所示。基本 足由4 部分组成： 1 中央控制部分，包括核心处理器与外围接口，硬件实现的m p e g 4 视频 图2 1 车载系统的结构 压缩与串口扩展网关也属于它的一部分。嵌入式c p u 主要进行功能模块的管理， 实现数据流的正确传递。一方面，它把从功能模块采集来的原始信息数据进行处 实现数据流的正确传递。一方面，它把从功能模块采集来的原始信息数据进行处 势6 页 消防机器人车载控制和无线通信系统的设计与实现 第二章机器人车载系统的构成 机器人车载系统包括实体设备，即用于完成各种功能硬件；控制逻辑，即提 供简单直观操控方法的各种应用程序；以及应用程序与底层硬件之间的接l ，操 作系统与驱动程序。 2 1 车载系统的硬件构成 本系统的消防侦察机器人的车载控制装置，硬件结构如图2 一l 所示。基本 足由4 部分组成： 1 中央控制部分，包括核心处理器与外围接口，硬件实现的m p e g 4 视频 图2 1 车载系统的结构 缩j 串口扩展网关也属于它的一部分。嵌入式c p u 主要进行功能模块的管理 实现数据流的正确传递。 + 方面，它把从功能模块采集来的原始信息数据进行处 第6 页 消防机器人车戟拄制和无线通信系统的设计与实现 婵f 压缩或编码，打包) 后，通过网络端口发送到远端( 控制端) ；另、方面， 它义通过网络端l j 获取远端传来的信息或控制数据，拆包判断后进行相应的操 作。凼此，嵌入式c p u 的处理能力必须能够同时满足这两方面的需求。 核心处理糕采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ，它是高集成度、高性能的嵌入式处理 器，使用a r m 9 2 0 t 核心，核心电压1 8 v 时的工作频率为2 0 3 m h z 。该芯， 内 胃m m u ( 存储器控制单元) ，集成的常用接口有：3 个异步u a r t ，2 个s p i 控 制器，4 个d m a 通道，1 个t i c 接口，1 0 1 0 0 m 以太网接口，1 1 7 b i t s 的通用1 7 0 门和2 4 个外部中断源。此外，它还集成了多个多媒体应用接口：内置l c d 控制 器与触摸屏接口，个专用i i s ( i n t e r - - l cs o u n db u s ) 音频接f _ i ，2 路u s b 从设 备接 ( u s b l 1 ，其中一路可配置成u s bh o s t ) ，s d 卡h o s t 接口( 版本1 o ) 。 $ 3 c 2 4 1 0 强大的运算处理能力和丰富的接口资源完全可以满足本系统对c p u 的 需求。 视频a d 转换使用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 4 ，配合一块c l p d 进行视频格式 的变换，压缩模块采用韩国i n t i m e 公司的m p e g 4 编码：占片i m e 6 4 0 0 作为压 缩芯片。i m e 6 4 0 0 是第一款投入商用的m p e g 4 编码芯片。可实现四路图像同时 压缩，支持m p e g 4 2 1 多种解码方式，可实现单路的音视频同步。内嵌r i s c 处 理器不需要外部处理器干预压缩过程，视频接口电路简单易用。 多串n 网关采用高速单片机c 8 0 5 1 f 0 2 3 作为转换芯片，它本身有两个通用 异步全双工u a r t 口，加上利用自身的p c a 模块来软件模拟的3 个全双丁串l l ， 这样最多可以有5 个u a r t 口用来接入信息数据。它将外部多个串口的数据合 并，通过s p i 与核心处理器通信，实现串口的扩展。 2 无线传输部分，包括模拟无线电台，g p r s 和高速无线数字电台。模拟 传输采用1 2 g 频段，进行实时图像和声音传送，但其绕射性能较差，只能在视 距范围内传送。 g p r s 模块是西门子公司的m c 3 5 t ，可拨号上网进入由中国移动提供的公 接数据通信网，只要在开通g p r s 业务的地区，均可实现无线数据的收发。 无线网络接入使用的是m d si n e t9 0 0 m 高速数据传输系统，它是一个长距 第7 贞 消骑机器人车载控制和无线通信系统的设计与实现 离、点对多点的无线网络产品。产品的性能指标均为工业级，可适用于不同的工 作环境，无遮挡传输距离可达5 0 公罩。它利用先进的扩频跳频技术，可以提供 5 1 2 k b p 以太网连接和两个町选1 1 5 k 的r s 2 3 2 串口；集成了通信协议打包拆解 功能，通过内置的串口，使有线的i p e t h e m e t 网络和串口系统并存。 3 音视频采集部分。视频采集部分包括4 台摄像机和四路彩色画面分割器。 山j i 核心处理器的i o 口有限，且驱动能力不足，摄像机的焦距调节与i | i i j 呵分割 器的操纵都由p l c 完成。 音频部分使用单个芯片完成采样、a d 转换，d a 转换和放大输出的功能， 通过i i s 总线与核心处理器进行全双工通信。芯片的电路连接与驱动程序的编写 将存本章的后半部分洋细描述。 4 执行机构与传感器。机器人在火场中向远端( 控制端) 发送的一切外部 环境信息与机器人姿态信息都是由各种传感器提供的。 传感器包括：g p s ，在空旷的地方可以提供机器人的准确位置。电子陀螺仪， 提供车辆前进方向与俯仰角作为惯性导航的依据。速度传感器，提供机器人与地 面的相对速度。温度传感器，提供机器人周围环境温度。气体传感器，用于测量 机器人周围大气中有害气体的浓度。 由于核心控制c p u 对外界干扰较为敏感，故牵涉到机器人机械动作的命令 都是由p l c 完成的。本系统采用o m r o n 的c q m i h 系列p l c 控制器与扩展子 板，主要完成包括机器人巡航控制( 前进、后退、转向) ，摄像机云台( 炮塔) 的升降转向，消防炮的喷射模式，摄像机的焦距调节，四画面分割器的操作，并 且承担速度、气体、温度传感器的周期性查询与数据反馈工作。 2 2 嵌入式操作系统及设备驱动程序 嵌入式操作系统由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系 统模块组成，能够运行在各种不同的硬件平台上，提供最基本的程序运行环境和 接厂l ，成为应用软件运行的基础。 第8 页 向j 、学钡i ，学位硷殳消防机器人年载控制和_ 尢线通信系统的设计与实现 2 2 1 嵌入式l i n u x l i n u x 是一种卜在蓬勃发展的操作系统，与u n i x 系统兼容，开放源代码， t f 逐渐地应用于嵌入式设备。它有针对没有m m u ( 存储管理单元) 的嵌入式 c p u 的u c l i n u x ，也有各种可以使用m m u 的e m b e d d e dl i n u x 。u c l i n u x 同标准 l i n u x 的最大区别就在于内存管理，而嵌入式l i n u x 同标准l i n u x 几乎没有差异， 都是针对有内存管理单元的处理器设计的。在这种处理器上，虚拟地址被送到内 存管理单元( m m u ) ，把虚拟地址映射为物理地址。 我们可以看到l i n u x 系统的内存管理至少实现了以下功能： 运行比内存还要大的程序，理想情况下应该可以运行任意大小的程序 可以运行只加载了部分的程序，缩短了程序启动的时间 可以使多个程序同时驻留在内存中，提高c p u 的利用率 可以运行重定位程序，即程序可以放于内存中的任何一处，而且可以在 执行过程中移动 代码与机器无关，程序不必事先约定机器的配置情况 减轻程序员分配和管理内存资源的负担 可以进行共享，例如两个进程运行同个程序，它们应该可以共享程序 代码的同一个副本 提供内存保护，进程不能以非授权方式访问或修改页面，内核保护单个 进程的数据和代码以防止其它进程修改它们。否则，用户程序町能会偶 然( 或恶意) 的破坏内核或其它用户程序 虚拟内存系统并不是没有代价的。内存管理需要地址转换表和其他一些数据 结构，这样留给程序的内存就减少了。地址转换增加了每一条指令的执行时间， 而对丁有额外内存操作的指令会更严重。当进程访问不在内存的页面时，系统发 生失效。系统处理该失效，并将页面加载到内存中，这需要极耗时间的磁盘i o 操作。总之内存管理活动占用了相当一部分c p u 时间( 在较忙的系统中大约占 第9 贞 消防机器人车载控制和无线通信系统的设计与实现 1 0 j ， 本系统的嵌入式o s 采用的是m i z i 公司专为三星a r m 系列芯片改良的嵌入 ，l i n u x 内核( 内核版本2 4 ) 。内核管理进程、内存、文件系统和所有外围没备， 吏持多进程和多线程。 对于l i u r l x 来说，所有的外围设备都是一个文件节点，可以进行手j 开关闭和 读写操作，而这些又是通过调用设备驱动程序来完成的。在l i n u x 环境下，驰动 设备般可分为字符设备、块设备和网络( 串行通信) 设备。系统中使用的音频 芯片以i i s ( i n t e r i cs o u n db u s ) 总线与c p u 相连，这是种音频设备之问进 行人量数据全叔工通信的格式。设备大致上- 叮归为字符设备，但在读写操作时义 宵特殊要求。在通用的嵌入式l i n u x 中不包含对i i s 设备的支持，因此需要自行 编写设备驱动程序。下面将以i i s 音频芯片为例，详细描述在嵌入式l i n u x 环境 中，添加外围设备以及设备驱动的方法。 2 2 2i l s 总线的音频设备 车载系统中选用p h i l i p s 公司的u d a l 3 8 0 作为音频芯片，它是专用于c d 和 m p 3 播放器的c o d e c 芯片。此芯片的a d c 部分支持8 k h z 至5 5 k h z 的采样频率， d a c 部分支持8 k h z 至1 0 0 k h z 的数据频率，可同时采样和播放，支持多种音频 输入输出格式，包括i l s 格式和l 3 格式等。它支持双声道采样，支持有源输入 或麦克风直接输入，输出可直接驱动耳机或有源音箱。u d a l 3 8 0 与c p u 的连接 如图2 2 所示。 在$ 3 c 2 4 1 0 上集成的 i i s 总线包括4 根信号数据 线，分别是：i i s d i ( 串行数 掘输入) ，i i s d o ( 串行数据 输出) ，i i s c l k ( 串行数据 时钟) 和i i s l r c k ( 左，右声 道选择信号) ：其中i i s 总线 上的主器件产生i i s c l k 和 udal380$3c2410 【d a t a o l j i i s d i d a t a i (：一a i i s d o b c k i o o e jo t i s c ，k w s i o o i i s l r c k s y s c l k ( jc d c l k l 3 c l 0 c k 单声道，1 6 k h z - - 8 k h z 等) ，编码 使用高压缩比可以减小对网络带宽的需求，改善网络拥塞造成的影响；减少l p c 计算阶数，降低噪声门限可以有效减小算法复杂度，降低c p u 负担。l 习此，主 控线程还必须根据c p u 运算速度与远端反馈的网络参数信息完成设置编码器工 作状态的功能。本系统中预定义了1 6 个等级的编码方案，对应不同数据量和算 法复杂度，详见表3 5 ( 表中的数据量和算法复杂度都是处理单声道声音数据 时的参数) 。 系统进入异常处理时，首先读取编码器当前工作模式，再判断是减少数据量 还是降低编码算法复杂度，然后在另一个参数大致不变的前提下，选择低1 个层 次的工作模式，例如：编码器默认工作在：双声道，方案0 ，此时如果需要减少 数据量，则选择方案2 ；需要降低算法复杂度，则选放方案1 。 表3 5 预定义的编码方案 编码窄带高频边带 l p c 阶数压缩级别 数据量 算法复杂度 方案 模式 模式 ( b p s ) o741 084 2 3 0 0 2 3 7 5 l74l o54 2 3 0 01 5 5 2731 083 5 8 0 02 1 2 5 363882 7 8 0 01 5 2 5 消防机器人车载控制和无线通信系统的殴亡 0 实现 编码 窄带 高频边带 l p c 阶数压缩级别 数据量 算法复杂度 方案 模式模式 ( b p s ) d63l o52 7 8 0 01 2 2 5 一 b7 无 882 4 7 0 01 2 0 6 7 无 1 052 4 7 0 01 0 0 762 8 8 2 3 8 0 01 3 7 5 8621 052 3 8 0 01 2 0 9 4 2881 6 6 0 01 0 0 l o 4 2l o51 6 6 0 09 0 1l5 无881 5 0 0 09 0 1 23 无1 058 0 0 07 0 32 无 l o 55 9 5 06 2 5 1 4 2 无 l o2 5 9 5 05 0 1 5o 无无无2 5 0 2 1 6 无 无无无1 2 8 k2 l7 无无 无 无6 4 kl 表中如果不存在高频边带模式，则编码器工作于窄带模式。改变l p c 阶数可 以降低滤波闭环循环次数，虽然可以降低算法复杂度，但引入误差较大。当阶数 低_ j ：8 时，编码器恶化严重，闭环无法收敛，因此不采用。这里的算法复杂度指 的是时间复杂度，处理一个帧所需要的具体时间取决于c p u 运算能力，以处理 帧p c m 数据所需要的时间为基本单位，按比例计算获得。例如：假设c p u 处理一 帧p c m 数据( 类型转换+ 简单线性运算+ 复制) 所需要的时间为1 m s ，则采用 方案1 4 压缩这一帧数据需要的时间为5 0 m s 。编码方案1 5 对应静音时间段内为 产生舒适噪声和确认连接状态而发送的数据包；编码方案1 6 和1 7 分别对应不压 缩的1 6 k h z 8 b i t s p c m 和8 k h z 8 b i t s p c m ，可用于测试c p u 性能及网络带宽。 3 3 工作小结 1 使用多线程配合系统信号量等同步机制，共享多个循环缓存，实现采样 一压缩一发送，接收一解压一回放功能互不影响，同步工作；保证了音频处理巾 数据流的连续性和完整性。 2 完成了语音编码器向嵌入式系统的移植工作，规定了编码器工作的多个 等级，作为自适应码率( 质量) 调整的基础。 改变编码器固有循环次数，虽然 引入了噪卢，但是减小算法复杂度，减轻了c p u 的负担。 淘k 学顺f 学位沦文 消防机器人卞载控制和无线通信系统的发计j 实现 第四章行动控制系统与反馈机制 本系统中控制端必须能够远程遥控移动载体的全部动作、远程遥控云台卜卜 俯仰和厶右回旋远程遥控四个摄像头的切换、分别远程遥控四个摄像头的变焦 功能：并且在控制端计算机t 实时地反映p l c 的肝关量信号，以及g p s 定位信 息、陀蝶仪反映的实时姿态信息、气体侦检仪显示的有毒有害气体信息等。 4 1 命令产生与发送 机器人所有的运动指令都是由 远端控制服务器产生的，可以使用模 拟遥控器( 不经过车载控制系统处 理) ：也可以使用数字信道与车载控 制系统通信，再由车载控制系统操纵 执行机构。使用模拟或数字信道模拟 遥控器的原理类似于遥控玩具，原理 如图4 1 所示： 运动指令在数字信道中使用 t c p i p 协议，同时在g p r s 信道和 高速数字信道传送。t c p 会话建立 发射端接收端 图4 1 模拟遥控原理 后， ：始控制命令的传输。网络数据帧格式如图4 2 所示，每个命令包括本命 0l2 3 456701234567012345 670l234567 命令帧序列号命令数量 命令长度命令内容 图4 2 命令帧格式 令k 度( 所占字节) ，命令内容。命令内容由多个指令组成( 详见附录表一) ，以 a s c i i 码的形式发送。每个指令的长度默认为4 个字节，如不足4 字节，则在末 尾以空格补足。t c p 协议本身不限定数据帧的长度，但为防止同一命令被扣断造 第3 4 页 消防机器人车载控制和无线通信系统的设训2 f 实现 成延时，本文规定命令帧的长度不超过5 1 2 个字节。 山j 一命令响应的实时性要求不高 f 等于2 0 0 m s 。发送流程如图4 3 所示，用户通过界面与控制程序进行 交互。界面响应用户的命令，并将其 翻译为上述的指令组合，存入命令缓 仔中，如缓存中数据长度已经超过 5 0 0 个字节，则直接发送。每次响应 定时器消息时，发送命令缓存总的所 有数据；如命令缓存中无数据，则不 发送。 因此控制端周期性发送控制命令，周期小 图4 3 控制端发送流程 4 2 执行机构与实现方法 车载控制系统中由动作执行线程负责侦听两个t c p 端口( 见5 2 1 ) 。收 到数掘后拆包，判断命令内容，向相应的执行机构发出指令完成动作。本系统的 电 图4 4 p l c 与外围器件 执行机构采用o m r o n 的c q m l h 系列p l c 控制器与扩展子板，控制外围电机 与传感器。如图4 4 所示，输出1 0 子板负责外部执行电路的打开或关闭( 相当 于继电器) ，输入1 0 子板负责反馈执行电路运行状况( 电路是否按照命令执行) ： 高速汁数器读取安放在轮轴上的光码盘，经过换算可以获得速度信息；传感器子 板负责获得相应的外部信息，如温度、距离和热辐射等。 4 2 1p l c 工作原理 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或 第3 5 亘【 匈凡学坝学位论文趟防机器人车载控制和无线通信系统的设科f j 实现 逻辑线罔被接通或断丌，该线圈的所有触点( 包括其常，f 或常闭触点) 不会立即动 作，必须等扫描到该触点时才会动作。 考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间般在1 0 0 m s 以上，而p l c 扫 描用户程序的时间一般均小了1 0 0 m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计 算机的运行方式扫描技术。这样在对于i o 响应要求不高的场合，p l c 与继电 器控制装置的处理结采七就没有什么区别了。 第n 一1 个。 第n + 1 个 手_ j 描周期7 第n 个扫描周期， 1 扫描周期 输出刷新_ - 输入采样+ f 一用户程序执行_ + 卜输出刷新- +一输入采样 图4 5 p l c 工作原理 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行 期问，p l c 的c p u 以定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图4 5 所示。 ( 1 ) 输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它 们存入i o 殃象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输 出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i o 映象区中的 相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号 的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 ( 2 ) 用户程序执行阶段 存用户程序执行阶段，p l c 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序( 梯 形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路，并按先左后右、先上后f 的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统r a m 存储区中对应位的状态； 或者刷新该输出线圈在i o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形 幽所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i o 映象 区内的状念和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i o 映象区或系统 第3 6 页 消防机器人车载控制和无线通信系统的设讨j 实现 r a m 存储区内的状态和数据都有町能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程 序执行结果会对排在下面的儿是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排 在f - 向的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到f 一个扫描剧期才能 对排 l 其上而的程序起作用。 ( 3 ) 输m 刷新阶段 当h 描用户程序结束后，p l c 就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照 i o 映象区内对应的状念和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相 应的外设。这时，才是p l c 的真正输出。 p i ，c 的每个丌关量输入端都采用光电隔离等技术，用以增强p l c 的抗干扰 能力，提高其可靠性。p l c 采用了不同于一般微型计算机的运行方式( 即扫描技 术) ，来实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制。 光电隔离和扫描技术使得p l c 得i o 响应比一般微型计算机构成的工业控制 系统慢的多，其响应时问至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至 第n 1 个。 _ 第n 个扫描周期 -第n + 1 个 扫描周期7 1 扫描周期 输出刷新 袱采样卜用户程序执行斗输蜊新+ 一输入采样 图4 6 p l c 的i o 相应时间 更长。所谓i o 响应时间指从p l c 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端 信号的改变所需的时间。其最短的i o 响应时间与最长的i o 响应时间如图4 - - 6 所示。 以e 是一般的p l c 的工作原理，但在现代出现的比较先进的p l c 中，输入 第3 7 贞 海k 学填 。学位论文 消舫机器人车载控制和无线通信系统的设计，实现 映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独直的i 作，提高r p l c 的执行效率。 4 2 2 通信方法与命令帧格式 p l 。c 的上位机( p l c 的控制c p u ) 与车载中央控制系统通过r s - - 2 3 2 接口 通信。p i 。c 系统中用t x d ( 4 8 ) 指令进行串行传输，命令格式为： t x dscn ： 其巾s 为传输数据的起始字地址，c 为控制字符( o ：r s - - 2 3 2 端u ；1 ：外围通 信端口) ，n 为要发送数据的字符数( 4 位数b c d ) 。p l c 系统初始化时，需要 规定使用无协议通信，串口设罨为9 6 0 0 ，8 n i 。通信功能的详细设定见 2 3 】。 由_ fp l c 同时需要控制多个外围执行电路，并需要反馈执行情况与多个传 感器数据，因此必须定义一个统一的通信格式。我们利用自定义命令格式，以区 分对小同的设备进行操作。 中央控制系统接受到网络上发来的命令帧后，首先进行命令解释，转换成与 车载系统卜- 设备对应的格式。使用命令解释的好处是，如果车载系统的设备连接 发生变化，则只需要改变车载端的命令解释对应关系，远端系统无需改变。控制 系统发给p l c 上位机的命令数据格式为“p c c m d ，p u l l ( o p e n ) x x ，# ”。 “p c c m d ”代表是由p c 发来的指令；“x x ”是需要执行操作的设备序号，本 系统中使用的设备与相应的序号关系详见附录表二。“p u l l ”或“o p e n ”是对 该设备需要执行的操作：使用p u l l 命令打开设备，使执行电路丌始运行：使用 o p e n 命令关闭设备。中央控制系统可根据远端的控制，调节p u l l 与o p e n 一 个设备的间隔时间，以获得不同的动作幅度。 p l c 上位机返回的确认数据格式为“0 m r o n ，p u l l ( o p e n ) x x ，# ”。 “o m r o n ”代表是由p l c 反馈的数据；“x x ”是完成执行操作的设备号；“p u l l ” 或“o p e n ”是该设备正在执行的操作。通过反馈数据，中央控制系统可以确认 操作成功，或者判断电路是否出故障而未能完成操作。 p l c 上位机需要周期性反馈传感器数据，包括速度，温度，距离，热辐射等。 传感器数据格式为“o m r o n ，x x 0 0 0 0 ，# ”。其中“o m r o n ”代表是由p l c 反馈的数据；“x x ”代表数据的来源，可以是“s d ( 速度) ”、“w d ( 温度) b y 第3 8 贞 海l 学顿 ：学付论文消防机器人车载控制和无线通信系统的设引与实现 f 温度数据的备用) 儿( 距离) f s ( 辐射) ”：0 0 0 0 是传感器数据内容。对 卜某些有运动范围极限的设备，还需要返回其状态信息，以免强制运行造成设备 损坏。以炮台升降机为例，升降机有最高极限( 放置传感开关，设备号2 5 ) 。当 十降机末到达最高极限时，开关2 5 处于打开状态，上位机反馈数据为“o m r o n ， p u l l 2 5 ，# ”，p l c 可程序以响应使升降机上升的命令；当到达最高极限时，丌 天2 5 关断，此时p l c 程序1 i 会响应升降机上升操作，上位机反馈数据为 “o m r o n ，0 p e n 2 5 ，# ”，通知中央控制系统设备已到达极限。 4 2 3p l c 工作流程 p l c 中软件的工作流程如图4 7 所示。 图4 7p l c 软件流程 初始化时，首先构造反馈数据格式与接收数据比较寄存器，如下表所示 地址( 助计符) 内容含义 t x d 0 0 0 6 o m r o n ，p u l l + ，群 反馈数据：设备运行 t x d l 0 - - 1 6o m r o n ，o p e n + 4 鼻反馈数据：设备关断 t x d 8 0 8