雙臂單腿跳躍機器人的實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究

3 實(shí)驗驗證

在雙臂單腿跳躍起機器人研究的前期，因為理論和技術(shù)水平的限制，尚不能馬上進(jìn)入聯(lián)機調試階段。但可以設計實(shí)驗先對控制系統的實(shí)時(shí)性能作出驗證。

實(shí)驗中：

控制周期為5 ms；緩沖區大小為4(即一次發(fā)送四個(gè)控制量)；實(shí)驗中所用到的一次矩陣運算，指對某10維方陣的求逆并乘于另一方陣，系調用Matcom C++矩陣庫實(shí)現。一次運算時(shí)間約0.1 ms。矩陣運算的作用是模擬實(shí)際控制中進(jìn)行的運算量。實(shí)驗數據的采樣頻率為200 Hz，數據值為信號電壓大小，單位為V。

3.1 實(shí)驗設計

構造一個(gè)由輸入控制輸出的系統，即輸出跟隨輸人的動(dòng)作，這類(lèi)似于生物的反射回路，雖然算法簡(jiǎn)單，但很能說(shuō)明實(shí)時(shí)問(wèn)題。實(shí)時(shí)性不好，輸出就不能很好隨動(dòng)，對于生物就是反應遲鈍。所以即使從直觀(guān)上，這個(gè)實(shí)驗也能反應出系統的實(shí)時(shí)性好壞。

上位機中插入上百次的矩陣運算用以模擬實(shí)際中復雜算法的時(shí)耗，從而實(shí)驗中顯示的實(shí)時(shí)性性能同樣也可以說(shuō)明實(shí)際可用的實(shí)時(shí)性。

實(shí)驗框圖如圖5所示。

控制軟件的運行界面如圖6所示。

3.2 實(shí)驗結果

實(shí)驗中，A／D采得的輸入信號經(jīng)CAN通信送給PC，PC由此來(lái)計算控制量(隨動(dòng)控制中，輸入／輸出只是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系)再經(jīng)CAN發(fā)送給DSP，最后由DA輸出給電機。

實(shí)驗最終要得到輸入與輸出曲線(xiàn)，看輸出能否很好地跟隨輸入。具體操作上，DSP在把控制量送給D／A的同時(shí)，也回送給PC，所以輸入和輸出數據都可由PC采集(即圖中數據存儲按鈕對應的功能)。再借助Matlab的曲線(xiàn)繪制功能來(lái)對實(shí)驗結果進(jìn)行分析。

為顯示系統在高負荷運算下的實(shí)時(shí)性，以下實(shí)驗均在插入100次矩陣運算(時(shí)耗約為10 ms)的情況下進(jìn)行。

(1)對位置的跟蹤

輸出等于輸入，如圖7所示，可以看到他們幾乎重合。幾處不吻合的地方是因預估造成的，也說(shuō)明那一刻PC并未順利將控制量發(fā)送給DSP(100次矩陣運算造成的)，DSP靠讀取其緩沖區中的估計控制量工作，但并不影響整體的控制效果。

如果不啟用緩沖，PC一次只發(fā)送1個(gè)控制量，將得到如圖8所示結果。

因為DSP默認的輸出是零，控制量的不及時(shí)到位，造成’DSP在大部分時(shí)間都輸出零。這個(gè)輸出加在電機上，根本無(wú)法控制電機隨動(dòng)。

這就是為仆么在前面說(shuō)緩沖對提高實(shí)時(shí)性效果最顯著(zhù)，他彌補上位機非實(shí)時(shí)的弱點(diǎn)，從而增加了系統的實(shí)時(shí)性。

(2)對速度的跟蹤

為了更直觀(guān)地顯示系統響應的快慢，可以讓電機來(lái)跟蹤位移傳感器的速度信號。位移傳感器不動(dòng)時(shí)電機不轉，正向動(dòng)正轉，反向動(dòng)反轉。

如圖9所示，為了保護電機，輸出值是輸入的1／5?？梢钥吹?，輸出對不同頻率變化的輸入都很好地隨動(dòng)。說(shuō)明系統回路具備了較好的實(shí)時(shí)性。

4 結 語(yǔ)

通過(guò)對上下位機模式控制系統的深入分析，發(fā)現，在控制同路中，對上位機的要求不是精確定時(shí)，而足及時(shí)響應，這恰使得在 Wndows平臺下開(kāi)發(fā)上位機控制軟件成為可能。由此，本文提出一種“DSP定時(shí)PC從動(dòng)”實(shí)時(shí)控制方式，并引入了緩沖機制等提高實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)，保證實(shí)際應用中控制系統具有較穩健的實(shí)時(shí)性能。

本文所設計實(shí)驗，已經(jīng)考慮較苛刻的時(shí)間及環(huán)境閃素，能說(shuō)明整個(gè)系統具有良好的實(shí)時(shí)性。該實(shí)時(shí)控制方案的可行，有效降低了雙臂單腿跳躍機器人控制系統的開(kāi)發(fā)難度和成本，是關(guān)鍵的階段性成果。