1引目城市的现代化产生了众多的高层建筑。基于采光和美观的缘故，许多高层建筑都以玻璃幕墙为外装饰，但也因此带来了幕墙的清洗问题。传统的人工清洗方式费用昂贵，清洗效率低，而且作业十分危险，尤其是当建筑物的高度超过50m时。目前，香港等国家和地区已立法禁止类似于“蜘蛛人”的清洗作业方式。

　　随着机器人技术的发展，构造一个基于楼顶悬挂行走系统、以吊篮为载体平台的机费人进行玻璃幕墙清洗，是对现有幕墙清洗方法的很好补充。本文基于CAN总线，介绍了超高层吊篮式幕墙清洗机器人控制系统硬件和软件的设计和实现。

　　2幕墙清洗机器人控制系统结构2.1超高层吊篮式幕墙清洗机器人系统介绍基于低成本、产品化的考虑，本机器人系统将无：2002-05-18人技术；张厚样U974-），男，博士生，天津人，研究领域为机器人控制；宗光华U943-），男，北京人，博士生导师，教授，研究领域为机器人技术。

　　提供必要的擦洗力；清洗系统采用旋转毛刷和橡胶条刷进行M合洁洗，而且清洗装置可不受窗框的影响，提高了清洗效率和质量；为了提水的利用效率，清洗液系统采用水循环技术和风机切换技术，既使得污水回收和净化同时进行，减轻了水的重量，又避免了风机连续工作，延长了系统寿命；本体框架主要作为机器人本体3个子系统的载体，同时防撞轮、控制柜、密封装置等也固定在本体框架上。此外，机器人本体的供电、与楼顶通讯主要依靠挂钢丝绳内置的导线完成。楼顶小车选用了曼特斯曼的德玛格系统外加自制控制电路构成，机器人的水平移动和升降功能均由其完成，兼作机器人通讯接口。监控盒使得用户能够通过无线方式与楼顶通信，进而控制机器人系统，无线CCD传回的图象也显示在监控盒上，辅助用户的操作。

　　吊篮式幕墙清洗机器人是一个集机械、控制、传感等为一体的智能机械，其中控制系统发挥着关键作用，它能够自动检测自身周围的环境信息和位姿信息，并根据这些信息进行轨迹规划，协调机器人的各个系统共同完成擦洗作业。

　　2.2吊篮式幕墙清洗机器人控制系统结构随着机器人控制技术的发展，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。现代机器人控制系统要求做到具有开放性结构，合理的模块化设计，有效的任务划分，实时性、多任务，基本的网络通讯功能和形象直观的人机接口。

　　吊篮式幕墙清洗机器人的控制系统主要由CAN-ControllerAreaNetwork网络结合指令和图象的无线传输构成。CAN网络由自主开发的以P80C592为核心的控制板构造完成，P80C592是Philips公司开发的带有CAN功能的微控制器；指令无线传输通过工业用遥控接收器实现，完成监控盒与本体间控制信息的传递；图象系统仅作为独立模块提供图象信息供用户。

　　所示为幕墙清洗机器人的控制系统框图。

　　控制系统中，3个CAN网络节点根据资源分配自封闭的原则分别定义为Body1，Body2，BuildingTop.其中Bodyl和Body2是机器人本体上的两个节点。Bodyl负责吸附系统、清洗系统和本体框架的防撞功能，同时也作为整个系统的核心节点进行全局规划；Body2负责清洗液循环系统及相关功能。BuildingTop用于控制楼顶小车的运动以完成机器人本体的定位；作为无线与有线的接口，它还负责解析监控盒无线传输的指令并通过CAN传达给Bodyl；监控盒提供友好的人机交互接口，通过无线CCD返回的图象监控机器人的工作状态，并通过无线传输操作命令。由于采用CAN总线和无线，有效地克服了信息传输的距离障碍，CAN总线在位速率500KBPS时，支持130m的总线长度。4个节点通过无线和有线的综合运用，进行环境、状态和控制信息的交流。

　　3幕墙清洗机器人控制系统硬件设计幕墙清洗机器人工作于室外，机器人本体和环境中存在多种强电磁干扰源（如风机等），因此控制器的设计应以高可靠性为目标，控制系统必须具备良好的抗干扰性；应能够进行各种传感器信号的采集与处理及相关信号的融合；应能够完成机械本体上所有运动控制部件的准确控制；同时也应具备体积小、开放性好、适于远距离通信等特性。

　　PHILIPS的P80C592微控制器内置的CAN控制器可以增加系统的可靠性，提高系统的集成度，减小控制器体积。同时P80C592丰富的输入、输出端口完全可以满足系统资源的需求，因此，采用P80C592组建CAN网络；无线传输方式相对于红外也克服了方向性和短距离的缺陷，保证了指令传输的可靠性。

　　由于功能实现上硬件与软件存在互换性，因此系统的硬件设计与软件设计同时进行。总体上，优先选用硬件实现系统功能。设计时尽量将P80C592口线全部引出，以利于系统扩展。对系统资源进行分配的原则是：①以控制板为单位，充分利用控制器资源；②同一功能单元的资源集中分配，减少通讯量。设计的典型控制器结构如所示。

　　8路数字量输入通道，带光电隔离；8路模拟输入通道，6路分压，2路放大；2路PWM输出，通过电机驱动输出通道驱动电机；CAN总线耢动地址*存程序存健《数字输出CAN总线的通信参数为500KBPS/1.2KM；光尴离辕入指示出指示典型控制器结构本电路板主要具备如下特点：①RAM与ROM合用。由于P80C592没有on-chip程序存储器，故外扩门使得592可以在必要的时候能够利用ROM的一部分作为RAM使用，且此时ROM的工作速度可以满足592的需要；Bodyl与Body2输入输出部分仅在数目上有所差异，通过跳线开关使得二者统一，降低成本；③通过终端电阻切换开关使得3个网络节点的任何两个均可将网络闭合。

　　监控盒无线发出的指令以开关量的形式由Build-ingtop接收并解析后，进入CAN网络。

　　为有效地保护机器人本体的安全，在系统规划上，用户的指令由监控盒首先传输给Buildingtop，进而传给Bodyl，以便用户能够及时参与楼顶的控制以保护本体。

　　4幕墙清洗机器人控制系统软件设计幕墙清洗机器人的工作过程主要包括初始化阶段、本体初定位阶段、本体精定位阶段、擦洗阶段、擦洗结束阶段5个阶段。在硬件功能模块化的基础上，CAN总线的分布式控制方式为软件的编制提供了良好的基础，使各节点间的通讯不再是制约分布式控制实现的主要因素，并且更容易进行整个系统的软件规划以实现软件系统模块化。软件设计以Bodyl为主节点来协调擦洗过程中系统的运作，同时还采取一定的措施提高系统的鲁棒性，即在系统出现较低程度的故障时能够自动修复或自动停机，以等待工作人员的参与。系统安全性问题将在第5节详细论述。

　　4.1CAN总线节点地址分配在CAN协议中，节点之间正常通讯所用到的信息帧有两种：数据帧和远程桢。数据帧和远程帧的帧起始位之后都包括由标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。标识符的长度为ll（ID.l~ID.）位，包含信息帧目标地址特征。RTR位在数据帧中必须是“显性”电平，而在远程帧中，RTR位必须是“隐性”电平，用以标记帧类型。

　　对于P80C592，节点报文接收器的接收滤波器由两部分组成：接收码寄存器（ACR）和接收屏蔽寄存器（AMR）。此两个寄存器均为8位：验收码位（AC.7-AC. 0），验收屏蔽位（AM.7~AM.O）。当信息帧的报文标识符高8位（ID.10-ED.3）满足下列等式：则该信息帧将被报文接收器接收。而ID2~ID0仅用于辅助总线仲裁，本系统中用于表示帧类型。

　　对于本系统的3个网络节点，定义各节点的验收码和验收屏蔽码如下：指令的优先性。根据上述节点地址分配，各节点均可实现对其它任意节点组合的信息发送。并且，机器人本体1，机器人本体2，楼顶的优先级依次降低，确保发往关键节点的信号不被阻塞。

　　4.2信息帧的分类由于分布式控制通讯量较大，对信息进行分类和规定相应的协议将有利于软件的标准化，提高编程效率和程序的可靠性。在对系统各节点间的交流信息分析后，分为3类，按优先级由低到高的顺序分别为：远程帧、命令帧和紧急帧，由ID2~ID0进行标识。远程帧及其应答主要用于CAN节点的初始化状态确认，命令帧用于正常的节点动作，紧急帧用以在检测到紧急状态时，快速执行相应动作，避免事故发生。

　　4J控制系统软件编制的框架在本系统的设计中，各节点采用相同的工作机制，利于程序标准化。节点软件的总体框架如所示。

　　此结构中程序的运行包括3个优先级，从高到低依次为：接收信息中断、定时器中断和背景程序，即接收信息和指令分析均在中断中完成。指令分折使用定时器0中断，保证每0.1ms扫描一次信息接收位。以较高的频率扫描信息接收位，保证了接收到的信息及时分析；同时这种频繁扫描又不会影响信息的接收，因为接收信息的中断优先级高于定时器中断。在进行了指令的有效性分析后，对于执行时间较短的动作模块直接完成，而对于类似水循环模块这种模块本身即为陷阱的单元，不是直接调用相应动作模块，而是置位动作模块开关位，在背景程序中完成其功能。原因在于中断中进入陷阱后，由于同级中断的屏蔽作用，将不再进行其它指令的分析。试验证明本程序所采用的结构能够充分保证信息的及时交流及功能的实现，系统工作正常。

　　5系统安全性超高层建筑玻璃幕墙清洗机器人作为一项产品，除完成幕墙清洗的任务以外，由于其工作环境的特殊性和自身的价格因素，系统安全性被提到了至关重要的地位，控制系统设计上从软硬件两方面来保证系统的可靠运行，5.1硬件安全性在系统设计上，除系统工作机制上采用监控盒-BuildmgTop-Body的间接命令方式保证人的及时参与及采用优良的楼顶安全保护系统以外，在各关键节点处，均通过光耦-两层继电器-接触器的形式进疔隔离，提高硬件系统的抗千扰能力；在印刷电路板的设计上，电源网络尽量采用星形拓扑，并避免电源线与信号线的平行，总电源输入端和重要芯片电源端接入去耦电容，在终端继电器的输入线圈上接入钳位二极管，防止过大的负偏压：在CAN总线上按照规定串入两个124ohm终端电阻以吸收反射波，结点之间的连线采用双绞线减少窜扰。

　　终，将整个控制系统置于低电阻率的铝壳中，并将铝壳通过地线接地，以进行电场屏蔽和磁场屏蔽。

　　S.2软件安全性鉴于控制软件在系统正常运行中的重要地位，必须用软件工程的思想来规范软件的开发过程，而不是分散渐进地进行。

　　软件故障具有不同于硬件故障的特点。软件在运行中由于干扰因素新产生的故障是次要的，而一开始就存在于程序内的错误是主要的，因此，软件的可靠性设计将以减少错误和检测错误为中心。程序编制过程中，采用了如下措施来保证软件的安全性：模块化程序设计面向对象（OOP）虽然为程序提供了很好的编程思想，但具体到本控制系统，模块化的程序设计更具优势，这是由系统硬件上的模块划分、工作方式及硬件自身的特点决定的。通过模块化，各模块单独进行调试。使故障尽量在程序编制阶段得到解决。偶然故障的自动恢复因某种偶然因素造成计算机程序跳出正常运行区域和使程序进入死循环，均将导致严重的后果。因此软件上配合硬件通过看门狗（WatchDog）来发现程序异常，并迅速恢复程序的正常执行。

　　某些危险信号如不能及时处理会产生严重的后果，这也是人作为控制者来辅助系统控制保证系统安全的必要性所在。程序设计中，通过中断、紧急帧等方式，确保系统对现场的敏感性。

　　程序完成后，通过执行严格的测试，大程度地消除程序中可能存在的错误和缺陷，包括采用白箱测试和黑箱测试的方式来设计测试用例进行检测。软件测试的工作量占软件开发总工作量的40. 6结束语本文介绍了一种利用CAN总线构造的幕墙清洗机器人控制系统。在实际应用中，该控制系统功能实现良好、性能稳定、成本适中，达到机器人系统产品化的要求。