基于CAN總線(xiàn)的分布式機器人控制系統設計

0 引言

　　機器人控制系統是機器人信息處理和控制的主體，其設計好壞將決定機器人系統的整體行為和性能。機器人控制系統結構一般可分為三種類(lèi)型：（1）集中控制方式，利用一臺微型計算機實(shí)現全部功能，這種方式具有結構簡(jiǎn)單、經(jīng)濟的特點(diǎn)，但處理能力有限，難以滿(mǎn)足高性能控制要求并且控制風(fēng)險高度集中。（2）主從控制方式，用主從兩個(gè)CPU進(jìn)行控制，主CPU擔當系統管理，機器人語(yǔ)言編譯和人機接口功能，同時(shí)也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補;從CPU完成全部關(guān)節位置數字控制，主從CPU間通過(guò)公用內存交換數據，對采用更多的CPU進(jìn)一步分散功能比較困難。（3）分布式控制，普遍采用上、下位機二級分布式結構，上位機負責整個(gè)系統管理以及運動(dòng)學(xué)計算、軌跡規劃等，下位機由多個(gè)CPU組成，每個(gè)CPU控制一個(gè)關(guān)節運動(dòng)，這些CPU和上位機通過(guò)總線(xiàn)形式相聯(lián)系。這種結構的控制器工作速度和控制性能明顯提高，是一種比較理想的機器人控制方式[1]。傳統的機器人控制器采用MCU作為控制芯片，其運算速度和處理能力難以滿(mǎn)足日益復雜的機器人控制。在通訊方式上，常用的是RS422或RS485通訊，通訊的實(shí)時(shí)性較差，故障率較高，出現故障時(shí)，不容易排查[2]。本文所設計的機器人控制系統采用分布式控制方式，上位機采用高性能的工業(yè)PC機，下位關(guān)節控制器選用集成DSP的高速運算處理能力和MCU的控制特性于一體的Motorola DSP56F807作為控制芯片，上位機和下位各關(guān)節控制器之間采用了有效地支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)通訊方式，既能快速地實(shí)現機器人控制的復雜算法，又具有較高的控制實(shí)時(shí)性，是一個(gè)高性能的機器人控制系統。

1 控制系統結構

　　機器人是一個(gè)多自由度系統。機器人控制本質(zhì)上是對各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)進(jìn)行控制，使其協(xié)調運動(dòng)，從而完成一些相對復雜的動(dòng)作。該控制系統采用分布式控制方式，由上位主控計算機模塊、通訊模塊和下位關(guān)節控制器模塊組成，如圖1 所示。上位主控計算機負責整個(gè)系統的調度管理、在線(xiàn)運動(dòng)規劃、故障診斷和人機交互等功能;通訊模塊負責上位計算機與下位各關(guān)節控制器之間的實(shí)時(shí)信息交換;各關(guān)節控制器和驅動(dòng)直流無(wú)刷電機集成在一起，各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)由各關(guān)節控制器發(fā)出PWM信號驅動(dòng)直流無(wú)刷電機實(shí)現。

圖1控制系統簡(jiǎn)圖

1.1 上位主控計算機模塊

　　上位計算機是控制系統的中樞，要求體積小，運算速度快，滿(mǎn)足機器人實(shí)時(shí)控制的要求,通常采用高性能工業(yè)控制計算機。上位機應用程序在可視化編程環(huán)境VC++6.0下編制，分為程序界面、通訊初始化部分和控制部分?？刂撇糠质钦麄€(gè)上位機軟件控制的核心，可實(shí)現單關(guān)節控制和多關(guān)節協(xié)調控制，圖2為單關(guān)節控制部分流程圖，單關(guān)節控制是從上位機輸入關(guān)節應該運動(dòng)的期望位置值，然后向下位關(guān)節控制器發(fā)送單關(guān)節控制指令，并從下位關(guān)節控制器接受關(guān)節實(shí)際位置信息;下位關(guān)節控制器從上位機接收位置信息并加以運算處理，輸出PWM信號驅動(dòng)直流無(wú)刷電機運動(dòng)到期望位置。上位計算機的控制周期為20ms，它通過(guò)CAN總線(xiàn)接口卡連接到通訊總線(xiàn)上，與通訊總線(xiàn)上的各關(guān)節控制器交互信息。

圖2上位機單關(guān)節控制程序流程圖

1.2 通訊模塊

　　機器人的分布式控制系統中，對通信方式的選擇至關(guān)重要，上位計算機和下位各關(guān)節控制器間的通信既要滿(mǎn)足硬件連接簡(jiǎn)單，擴充方便，又要滿(mǎn)足通信的高可靠性和實(shí)時(shí)性。本設計采用CAN總線(xiàn)作為通信標準，CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，與一般的通信網(wǎng)絡(luò )相比具有可靠性高、實(shí)時(shí)性和靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為機器人控制系統中的通訊方式[3]。

　　本控制系統中，上位計算機通過(guò)周立功單片機公司的USBCAN-II智能CAN接口卡連接到CAN網(wǎng)絡(luò )，在上位機中調用隨卡提供的ZLGVCI驅動(dòng)庫函數，來(lái)實(shí)現CAN通信的管理和監控。CAN網(wǎng)絡(luò )各設備間通過(guò)雙絞線(xiàn)連接，因為雙絞線(xiàn)的特性阻抗為120歐，為了增強CAN通信的可靠性和抗干擾性，在CAN網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)端點(diǎn)加入120歐的抑制反射的終端匹配電阻。

1.3 下位關(guān)節控制器模塊

　　下位關(guān)節控制器模塊是整個(gè)控制系統的底層，與各關(guān)節驅動(dòng)電機集成在一起，實(shí)際上是一個(gè)單關(guān)節運動(dòng)控制和驅動(dòng)模塊，主要用來(lái)控制各個(gè)關(guān)節運動(dòng)具體執行過(guò)程。關(guān)節控制器接收主控計算機的控制命令,對各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)把底層信息反饋給上位計算機，便于上位計算機協(xié)調規劃，統一管理。所有的下位關(guān)節控制器在硬件結構上完全相同，根據各關(guān)節運動(dòng)控制的差異，內部灌注的軟件程序有所不同。關(guān)節控制器是整個(gè)控制系統的核心，也是本文研究的重點(diǎn)，它的性能好壞直接關(guān)系到機器人的整體性能。

2 控制器硬件系統設計

　　控制器硬件系統按結構和功能可分為主處理器單元、電源電路、電機驅動(dòng)電路、CAN接口電路、欠壓保護電路、過(guò)流檢測電路等模塊，具體電路如圖3所示。