楊世華,王秀敏,沈建明,任建新

(1.中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江杭州310018;2.杭州專用汽車有限責(zé)任公司,浙江杭州310018)

橋梁檢測車是用于橋梁檢測的專用車輛,主要用于各種橋梁的檢測,但是由于其機(jī)械臂較長,在檢測過程中需要較大的旋轉(zhuǎn)空間,同時(shí)機(jī)械臂部分處于橋梁的下方,故視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能給出整體畫面.由于駕駛室內(nèi)操作人員不能整體把握機(jī)械臂的姿勢,會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí),無法及時(shí)地制動(dòng)防側(cè)翻裝置,從而引起事故[1].國內(nèi)針對(duì)橋梁檢測車安全監(jiān)控的研究還處于起步階段,主要通過人與人之間的對(duì)講作為橋梁檢測車的安全監(jiān)控保障;而由于國內(nèi)橋檢車與國外的機(jī)械臂在形狀結(jié)構(gòu)上有很大差異,所以其監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)國內(nèi)車輛作用不大,因此針對(duì)國內(nèi)橋檢車設(shè)計(jì)一種安全監(jiān)控系統(tǒng)非常必要.同時(shí)可以節(jié)約操作時(shí)間,減少橋檢車對(duì)道路的占用時(shí)間,對(duì)緩解交通壓力起極大的作用.文中以8自由度三關(guān)節(jié)機(jī)械臂的混合式臂架橋檢車作為研究對(duì)象,首次提出并設(shè)計(jì)了一種基于ARM的安全監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合正運(yùn)動(dòng)學(xué)原理通過傳感器采集的回轉(zhuǎn)角度和機(jī)械臂長度進(jìn)行空間定位,利用Qtopia[2]對(duì)機(jī)械臂狀態(tài)進(jìn)行圖形繪制,并顯示第二回轉(zhuǎn)角度.

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)硬件構(gòu)架框圖,S3C2440[3]為ARM9結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái),傾角傳感器為三個(gè),其中2個(gè)雙軸傾角傳感器置于兩個(gè)回轉(zhuǎn)角處,1個(gè)單軸傾角傳感器置于二臂三臂之間(為方便機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)建模,傾角傳感器[5]采用磁敏傳感器),同時(shí)使用三個(gè)直線位移傳感器對(duì)機(jī)械臂伸展長度采集信息,通過多轉(zhuǎn)一串口輸出電路將六路傳感器采集的信號(hào)分時(shí)讀取(每路信號(hào)只能分時(shí)占用總線),將待處理信號(hào)發(fā)送給處理器,再通過軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫模擬部分.

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖Figure 1 Hardware strcutual design drawing

2 基于Qtopia的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和動(dòng)畫顯示模塊三部分構(gòu)成,采用多線程編程;其流程圖如圖2所示.實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)每6 ms從串口0讀取并發(fā)送數(shù)據(jù)一次,串口0接收來自多轉(zhuǎn)一端口的數(shù)據(jù),端口地址為01到06,采用輪詢方式,六次為一周期.傳感器工作頻率為25 Hz,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù),首先判斷傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)是否正常,異常情況主要采用對(duì)角速度變化率進(jìn)行判別,若是數(shù)據(jù)合理,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.

2.1 關(guān)節(jié)定位

橋梁檢測車的機(jī)械臂由四部分組成:一臂、二臂、三臂以及工作平臺(tái),而工作平臺(tái)采用了自動(dòng)調(diào)平技術(shù),使其總是保持水平平衡,可以將模型簡化為三關(guān)節(jié)模型.通常機(jī)械臂是結(jié)合機(jī)器人靈巧手三關(guān)節(jié)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,常用Denavit-Hartenberg法建立坐標(biāo)系.

圖2 應(yīng)用程序流程圖Figure 2 Application flowchart

但該方法僅能實(shí)現(xiàn)繞 x、z軸旋轉(zhuǎn)以及z軸必須沿關(guān)節(jié)軸線方向旋轉(zhuǎn)[6],且同時(shí)要求每個(gè)關(guān)節(jié)僅具有一個(gè)自由度;而機(jī)械臂回轉(zhuǎn)角處各具有兩個(gè)自由度,同時(shí)三個(gè)臂又具有伸縮功能,因此每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度≥2,系統(tǒng)采用如圖3所示的方法建立空間模型,O1,O2,O3,O4為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)端點(diǎn);坐標(biāo)系O1為定坐標(biāo)系(參考坐標(biāo)系),O2,O3,O4為動(dòng)坐標(biāo)系;li表示 i臂的臂長;α為 x軸與L1在 XOY平面內(nèi)投影夾角,β為L與XOY平面的夾角,即α,β表示關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度.

圖3 空間建模Figure 3 Space modeling

經(jīng)計(jì)算坐標(biāo)原點(diǎn)Oi在Oi+1坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為 Pi,i+1(li· cosα· cosβ,li· cosα·sinβ,li·sinα),即也是位移向量 ti,i+1=(tx,ty,tz)的坐標(biāo).T12由坐標(biāo)系O1平移到O2的變換矩陣可簡單表示為

同理可求的其次變換T2,3,T3,4;根據(jù)坐標(biāo)的復(fù)合變換可證明Pi,i+1=Ti,i+1·Pi+1,經(jīng)迭代可求的 P1,j=T1,j-1·Pj-1,j即 :

其中Pi,j表示在坐標(biāo)系Oj內(nèi)的點(diǎn)相對(duì)參考系i的坐標(biāo).li的回轉(zhuǎn)角 θ2·i-1,θ2·i分別對(duì)應(yīng)α,β.

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信采用RS-485串行口通信協(xié)議.串口參數(shù)作如下設(shè)置:速率11920波特、8位數(shù)據(jù)位、起始位1b、停止位1b和無流控協(xié)議.為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)、實(shí)時(shí)性,使用Linux提供的POSIX thread線程標(biāo)準(zhǔn),拋棄qtopia提供的qthread[7]線程,需要將qmake配置文件內(nèi)的libs文件庫改為由Linux提供的線程libs文件;同時(shí)在項(xiàng)目文件.pro內(nèi)添加CONFIG+=thread;表示這是一個(gè)多線程應(yīng)用程序.通信模塊主要負(fù)責(zé)將接收到來自多轉(zhuǎn)一電路的信號(hào),然后經(jīng)過處理把對(duì)應(yīng)空間坐標(biāo)傳遞給繪圖函數(shù).

部分代碼如下:

2.3 動(dòng)畫顯示模塊設(shè)計(jì)

Qt的二維圖形引擎是與平臺(tái)無關(guān)、基于Qpainter類的,采取幀緩存作為底層圖形接口,可以直接畫在繪圖設(shè)備上如QWidget,Image,Qpixmap,OpenGL等設(shè)備上.繪圖模塊主要實(shí)現(xiàn)圖形顯示功能,當(dāng)機(jī)械臂擺動(dòng)姿勢不同時(shí),系統(tǒng)會(huì)以不同的觀察視角顯示.部分實(shí)現(xiàn)代碼如下:

3 結(jié) 語

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于ARM的安全監(jiān)視系統(tǒng),該監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的空間定位、力矩計(jì)算,利用Qtopia強(qiáng)大的繪圖功能,使用幀緩存作為底層圖形接口,直接對(duì)“設(shè)備”讀寫,克服了視頻監(jiān)控需要多攝像頭才能完成任務(wù)的弊端,并且所給出機(jī)械車的整體姿勢完全,達(dá)到實(shí)時(shí)快速的要求,而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用.同時(shí)該平臺(tái)具有可持續(xù)開發(fā)性,添加對(duì)機(jī)械臂的無線控制模塊等.

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