基于GCKontrol的嵌入式代码生成在机械臂控制的应用

机械臂控制是机器人技术中的关键环节，它涉及到机械臂的点位控制、路径规划和轨迹生成等。点位控制关注机械臂从一个点快速、准确地移动到另一个点，而不关心两点间的具体路径。路径规划则确定机械臂从起点到终点的最优路径，考虑避障和优化末端执行器的路径，通常需要从笛卡尔空间转换为关节空间的路径，涉及到逆运动学的问题。轨迹生成是在路径规划的基础上，生成一条指定了时间律的路径，即轨迹，它不仅包含路径的几何描述，还涉及速度和加速度等时间属性。这三个环节共同确保机械臂能够安全、高效地完成预定任务。

在机械臂控制的嵌入式开发中，通常采用手工编码的传统方法。随着机械臂控制算法复杂，涉及大量的数学运算和逻辑判断，手写代码往往难以保证高效和稳定。此外，随着机械臂功能的增加，代码量急剧膨胀，导致开发周期长、调试难度大。随着系统功能的增加和性能要求的提高，手工编码的局限性变得越来越明显。

为了提高开发效率和代码质量，自动代码生成技术应运而生。嵌入式代码生成技术的历史可以追溯到20世纪末，随着电子设计自动化技术的发展而逐渐成熟，这种技术最初是为了解决嵌入式系统开发中日益增长的复杂性而出现的。自动代码生成技术允许开发者使用高级建模语言来设计系统，然后通过自动化工具将这些模型转换成可在目标硬件上运行的代码。这种方法不仅减少了手工编码的工作量，还提高了代码的可靠性和开发的速度。

因此，为解决嵌入式开发过程中的一些瓶颈问题，同时满足国内用户需求，世冠科技自主研发了GCKontrol系统设计与仿真软件（对标美国MATLAB/Simulink软件），作为一款国产软件工具，GCKontrol不仅支持系统建模和仿真，还支持高质量嵌入式C代码的自动生成。

GCKontrol的嵌入式代码生成的重要性体现在以下几个方面：

• 提高开发效率：通过自动代码生成，开发者可以将更多的时间投入到系统设计和功能验证上，而不是编写和调试代码。这样可以显著缩短产品从设计到市场的时间。

• 减少人为错误：自动生成的代码减少了人为编写代码时可能引入的错误，提高了软件的可靠性。

• 易于验证和测试：在模型层面进行验证和测试比在代码层面更容易，因为模型提供了更高层次的抽象。这使得开发者可以在早期发现并修复潜在的问题。

• 跨平台兼容性：自动代码生成工具通常支持多种硬件平台，这意味着同一套模型可以在不同的硬件上运行，而无需对代码进行大量修改。

• 代码优化：现代的代码生成工具提供了多种优化选项，可以根据特定的硬件特性和性能要求来生成优化后的代码。

• 符合行业标准：自动代码生成工具通常支持各种行业标准及规范，如AUTOSAR、ISO26262等，这对于航空、航天、汽车等行业尤为重要。

随着技术的发展，嵌入式代码生成技术已经成为嵌入式系统开发不可或缺的一部分。它不仅提高了开发效率，还确保了软件的质量和安全性，对于嵌入式系统领域的进步起到了关键的推动作用。

GCKontrol支持多种嵌入式系统的代码生成，包括但不限于ARM Cortex芯片，如STM32系列。它能够生成满足MISRA-C代码规范的C代码，这些代码是跨平台、跨硬件的，完全独立，没有依赖代码和库，非常适合嵌入式系统使用。此外，GCKontrol还支持定点计算，这意味着它可以生成适用于资源受限的嵌入式系统的高效代码。

在机械臂控制的应用中，GCKontrol 可以帮助开发者对控制器策略进行建模，并通过仿真测试优化控制策略。然后，可以将这些策略转化为代码，并部署到嵌入式系统中，如 STM32 开发板，以实现对机械臂的精确控制。这种方法不仅可以提高开发效率，还可以确保控制动作的准确和性能。

GCKontrol具备机械臂动作流程建模以及实时仿真能力，通过状态图构建等方法，最终实现机械臂通过超声波传感器识别前方物体，抓取后进行颜色识别，并放到指定位置的功能。

机械臂代码生成控制效果图如下：

在机械臂嵌入式代码生成方面，GCKontrol功能优势如下：

• 定点计算支持：GCKontrol支持在模型级别进行定点运算设置，在本文机械臂控制中，GCKontrol软件被用来对控制器策略进行建模并生成代码，其中涵盖选择合适的数据类型、定标值和偏移量等。通过这种方式，可以将模型从浮点模型转换为定点模型，并生成适用于嵌入式系统的高效代码。在此过程中，定点计算功能可以确保计算精度和资源消耗符合特定的系统要求，特别是在实时性要求较高的应用场景中，确保了系统的稳定、高效运行。

• 代码生成与集成：GCKontrol能够生成符合C99/C98编码规范的C代码，使得代码更加简洁、安全和易于维护。机械臂编译开发平台基于Keil uVision5/Arduino IDE，该平台中支持使用C99标准进行编码，GCKontrol生成的嵌入式代码能够与之完全兼容。此外，GCKontrol支持代码集成(SWC)，允许多个工程模型之间的变量传递和参数访问，这使得将控制算法集成到嵌入式系统中变得更加便捷。

• 跨平台支持：GCKontrol生成的C代码具有跨平台特性，意味着代码可以在不同的操作系统和硬件平台上运行，而无需依赖特定的库或代码。在本文机械臂嵌入式代码生成中使用 STM32和MEGA328不同硬件控制器进行集成，这种跨平台的支持为代码的移植和部署提供了极大的灵活性。

• 自动化测试：GCKontrol提供Python API，支持编写自动化测试脚本，可以显著提高测试效率并确保代码质量。在机械臂控制中通过调用API，实现不同初始动作工况下的机械臂动作流程批量测试。通过自动化测试，用户可以快速验证模型的正确性和性能，从而加快开发周期并减少人为错误。