CN102262393A - 一种半实物实时仿真系统及实现快速原型控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半实物实时仿真系统及实现快速原型控制的方法。系统包括宿主机、主控机、和外部扩展功能模块和被控对象。宿主机运行Matlab/Simulink/RTW程序，并将可执行程序载入主控机；宿主机运行LabVIEW程序，用于实时观测主控机的状态信息与修改控制参数。主控机包括下载单元、通信单元、人机交互单元、测试传感单元、控制及信息处理单元、及功率驱动单元，用于辅助实现宿主机与其他部分功能模块的联通。外部扩展功能模块用于扩展测试传感单元的功能，输出可配置的控制信号。本发明针对机器人控制系统，有效地解决了快速原型设计和硬件在回路仿真的结合问题，并整合了功率驱动单元；提高了机器人控制系统的可控性、可观测性以及对不同控制对象的适应性。

Description

一种半实物实时仿真系统及实现快速原型控制的方法

技术领域

本发明涉及数据仿真技术领域，特别涉及一种应用于机器人控制系统的快速原型控制的半实物实时仿真系统。 

背景技术

硬件在回路仿真(HILS，Hardware-in-Loop Simulation)又称为半实物仿真，它是将实际系统的一部分用数学模型加以描述，并变换为仿真模型在计算机上运行，将系统的另一部分以实物或物理模型引入仿真回路。通常，由于真实系统的某些部分很难或根本无法建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难。面对这种情况，只有采用硬件在回路仿真，将不易建模的部分用实物代替。由于在回路中有实物硬件加入，硬件在回路仿真必须是实时运行的。利用硬件在回路仿真，可以检验真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标和可靠性，有助于准确调整系统参数和控制规律。而且它还可以用来检验数学模型的正确性和仿真结果的准确性。 

在开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性。这个过程我们称之为快速控制原型(RCP，Rapid ControlPrototyping)。 

工程师在进行控制系统开发时，常常需要同时面临许多难以解决的问题，而开发的时间却要求愈来愈短。按照过去的开发方法，一般包括下列的典型步骤： 

1)根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标； 

2)根据过去的经验提出系统的结构； 

3)由硬件人员设计并制造硬件电路； 

4)由控制工程师设计控制方案，并将控制规律用方程的形式描述出来； 

5)由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律； 

6)由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中； 

7)用真实控制对象或测试台对系统进行测试； 

由上述过程可以看出，传统的开发方法存在三个较大的问题： 

1.硬件投入成本较大 

在对控制规律的控制特性或控制效果还没有一点把握的情况下，硬件电路已经制造了，这时，不知道所设计的方案在多大程度上满足要求，抑或根本不能满足要求，但已经产生了较大的硬件投入成本。 

2.手工编写代码不可靠 

由于采用手工编程，所以会产生代码不可靠的问题，这样，在测试过程中如果出现问题(大多数情况下这是必然的)，就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间、人力和物力，给开发带来不必要的开支和经济损失。 

3.修改控制方案费时费力 

即使软件编程不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新的一轮工作又将开始。大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门太多，再加上管理不善所引入的种种不协调，导致开发周期延长，最终导致产品虽然研制成功了，但初始需求已经发生了变化，市场机会已经错过，产品已没有了销路，从而使整个开发失败。 

快速控制原型方法可使嵌入式系统的设计工作得以快速实现，而无须进行繁琐的手工编写代码和调试过程。其典型的快速原型化可用于设计周期中的软、硬件集成和测试阶段，功能包括：在模块图建模环境下，以图形化的方式对算法进行概念化；在配置硬件、生成产品软件或设计定型前，对系统的性能进行估价；通过算法设计和原型化之间的快速重复，对设计进行完善。 

控制系统的快速原型设计分为四个阶段：研究阶段、设计阶段、执行阶段和应用阶段。在研究阶段，主要进行算法研究、数据分析和系统建模工作；在设计阶段，一般需要选用如Matlab/Simulink的仿真软件并根据上一阶段建立的物理模型进行仿真；执行阶段的主要工作是，将设计阶段仿真成功的算法自动生成 嵌入式C语言或者VHDL语言后，导入到嵌入式硬件中。应用阶段的主要任务是，将嵌入式控制单元与功率驱动单元、执行机构、传感与检测单元整合后对系统进行试验。 

图1为现有的机器人伺服控制系统，包括宿主机101、目标机102、电机驱动器103、执行机构104与测试传感单元105。宿主机可以为任何x86结构的笔记本电脑、PC机或工控机，它运行Window XP、WindowVista或Window 7操作系统，仿真软件为Matlab/Simulink/xPC Target等，并通过以太网与目标机102相连。目标机102为精简指令集计算机(RISC，Reduced Instruction Set Computer)或复杂指令计算机(CISC，Complex Instruction Set Computer)，计算机内部带有PCI或者ISA插槽，安装有数据采集以及伺服驱动卡。目标机安装有实时操作系统，如Vxworks等。电机驱动器103接收目标机传送过来的位置指令，通过比较测试传感单元105反馈会的位置来对执行元件或执行机构104的位置进行调节。 

在传统的机器人伺服控制系统快速原型设计过程中，宿主机101负责控制算法的建模、仿真、编译与下载工作。当对系统的控制算法建模成功后，通过自动生成代码的功能将控制框图转化为C语言程序，而后又由C编译器将程序转换成可执行程序，并通过以太网下载到目标机102中运行。目标机102运行编译成功的实时控制程序，并根据运算结果给电机驱动器103发送位置指令。电机驱动器接收目标机102位置指令，并根据测试传感单元反馈回的位置指令，控制驱动单元或执行机构的位置和速度。 

在传统控制方案中，目标机102与其中的数据采集卡是必不可少的。由于目标机体积较大，故不适合安装于机械臂等活动部件上。这种设计思路带来的问题是，在快速原型设计中，需要将机械臂上的模拟信号线、编码器信号线、功率信号线全部接入位于固定位置的目标机102中，布线复杂、线间容易产生串扰、接线端子众多，故降低了系统的稳定性，也不方便调试人员安装和维护；同时，目标机102的耗电量较大，不适合小型移动设备中；另外，支持实时仿真的数据采集卡成本也比较高，故传统方案增加了系统的使用成本，减小了快速原型化系统的应用范围。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种针对现有机器人伺服驱动系统的上述缺陷，在伺服电机驱动器上直接实现硬件在回路仿真和快速控制原型的控制系统，从而简化系统的布线，降低系统的功耗与成本。 

本发明提出了一种适用于机器人伺服控制系统的快速原型控制实现的半实物实时仿真系统，包括宿主机、主控机和外部扩展功能模块和被控对象，所述主控机包括下载单元、通信单元、人机交互单元、测试传感单元、控制及信息处理单元、及功率驱动单元。 

所述下载单元，用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序； 

所述通信单元，用于与外部扩展功能模块交换数据，也可连接其他的主控机实现机器人多关节协调控制； 

所述人机交互单元，用于显示仿真过程中的所需要观测的参数与调节控制系统参数； 

所述控制及信息处理单元用于执行编译后的程序，生成控制结果，获取采集单元的数据； 

所述功率驱动单元，用于执行控制及信息处理单元生成的控制结果，驱动被控对象； 

所述测试传感单元，用于获取被控对象反馈回来的状态信息。 

优选地，所述外部扩展功能模块中包括力传感器采集模块，用于采集放置于机械臂上的力传感器所反馈的力信号。 

优选地，所述通信单元包含两个控制器区域网络(CAN，Controller Area Network)总线接口，一个以太网(Ethernet)接口，一个FlexRay总线接口。 

优选地，所述CAN总线接口与外部扩张模块交换数据。 

优选地，所述FlexRay总线与其他主控机的FlexRay总线相连，构成一定的拓扑机构，用以实现主控机之间的数据交换。 

优选地，所述以太网接口与宿主机相连，用于传输控制信号与需要观测的数据。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明通过所述电机驱动器与目标机的一体化集成技术使机器人伺服控制系统兼具硬件在回路仿真与快速原型设计的功能：当对机器人系统进行试验研究时，使用硬件在回路仿真功能，系统参数既可在宿主机显示，又可在驱动器连接显示单元的情况下显示；当机器人系统试验研究完成，需要进行小批量样机生产的时候，在一切硬件拓扑连接都没有改变的情况下，即可使用快速原型设计功能进行样机生产，而本 控制方案低成本的特性又使本套系统具有较大的实用性。 

本方案通过所述CAN总线的连接外部功能扩展模块，以及通过FlexRay总线实现目标机之间的数据交换的方案减少了机械臂上的线缆数量与连接端子数目，简化了布线，提高了抗干扰能力。 

本方案通过将所述电机驱动器应用现场总线相连实现数据交换的技术，使之可以以增加电机驱动模块的数量的方式适用于任何自由度的机器人系统。 

附图说明

图1是现有机器人伺服控制系统快速控制原型的系统结构图； 

图2是本发明针对机器人伺服控制系统的实施结构图； 

图3是本发明数据采集扩展模块的结构实施图； 

图4是本发明实现机器人伺服控制系统硬件在回路仿真功能的实施流程图； 

具体实施方式

为使本发明所述的上述特征、优点能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行更加详尽的阐明。 

如图2所示，该图为本发明实现快速原型控制的结构实施图，包括宿主机1、主控机2、外部扩展模块3、以及被控对象4。 

所述宿主机1为任何x86结构计算机，其结构形式根据需要不同可以为笔记本电脑、工控机、PC104主机等。 

宿主机运行Windows操作系统和相关的编译软件以及仿真结果观测与控制软件。编译软件的功能分为3个层次，第一个层次是将图形语言转换成C语言，第二个层次是将转换得到C语言编译转换成汇编语言，第三个层次是将汇编语言转换成机器语言后下载到目标驱动器中执行仿真程序。仿真结果观测与控制软件的作用是实时观测机器人各轴系的位置，力传感器的状态，驱动单元的状态等。 

为实现所述编译软件第一个层次的功能，编译软件优选Matlab/Simulink/RTW模块。在本层次中所进行的工作分两个部分：第一部分是机器人伺服控制算法模块的编写，由于组成这些模块的子模块大多集成于Simulink开发环境中，因此可以以Simulink中现有模块为基础，编写机器人伺服系统运动控制功能模块；第二部分是目标机基本输入输出接口与硬件功能模块驱动程序的编写，需要编写成功的Simulink框图经过RTW编译后，可以自动生成适用于目标系统的C语言代码。 

为实现所述编译软件第二个层次以及第三个层次的功能，编译软件优选TI的Code Composer Studio 3.3用以实现将第一个阶段转换成的C语言代码转换成汇编代码以及目标机器代码的功能。同时，用户也可以修改经过转换的C语言代码，以增加实时仿真系统的灵活性。 

仿真结果的观测与控制软件优选LabVIEW，LabVIEW的图形化设计方式在硬件在回路仿真(HILS)阶段使其可以快速生成用于观测的图形界面；在快速控制原型(RCP)阶段，LabVIEW可以将仿真阶段生成的可执行文件脱离LabVIEW环境，在Windows操作系统中执行。 

所述目标机2包括下载单元21、通信单元22、人机交互单元23、控制于信息处理单元24、测试传感单元25、功率驱动单元26。 

所述下载单元21用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序，下载后的可执行控制程序在所述目标机2中的所述控制及信息处理单元24中运行。 

所述测试传感单元25采集被控对象的位置、速度及电流信息，发送至所述控制及信息处理单元，通过已下载至其中的可执行程序计算出结果后，将功率驱动信号发送至所述功率驱动单元26中，形成典型的闭环系统。 

所述通信单元22用于扩展控制系统的功能，主要包含三个层次的目标：第一个层次的目标是与所述外部扩展功能模块3之间的通信功能，主要目的是扩展快速控制原型系统测试传感单元；第二个层次的目标是实现所述目标机2之间的相互通信功能，以实现机器人多自由度的协调控制；第三个层次是目标机与宿主机之间的高速通讯功能，以实现数据的实时观测以及控制量的设定工作。 

第一个层次的通讯目标优选CAN总线实现，主要原因是CAN总线安全性能好，数据传输速率较高，抗干扰与容错能力较强，实时性较好，适用于本系统传感器数据的采集。 

第二个层次的通讯目标优选FlexRay总线实现，FlexRay总线做为一种新的高速可靠的通信协议，其本身具有传输速率高、安全性好、适应严酷环境等优点。传输速率高体现在其双路最大的传输带宽可达20Mb/s，为CAN总线的20倍；安全性好体现在其采用的冗余通信备份方法上，主控机之间通过两条总线相连，正常情况下可以用两个通道同时进行主控机之间的数据交换，当一个通道出现故障时，系统可自动切换数据到另一个备份通道上进行数据交换，从而极大的提高了机器人控制系统的可靠性；FlexRay总线设计之初是应用于汽车领域。由于车载电子设备需稳定工作在震动、高温以及强电磁干扰的环境中，所以其也完全可以适应于工作环境较好的机器人领域。 

第三个层次的控制目标优选以太网(Ethernet)实现。选择以太网做为主控机与宿主机之间的通信接口，主要原因是以太网是个人计算机上的标准配置，这样就不要为宿主机添加新的通信接口模块，降低了系统的成本；其次以太网的通信速率可达100Mbps，满足大量数据观测的带宽要求。 

人机交互单元23用于实现被控对象状态和控制量的显示工作，以及控制量的输入功能。相对于将控制信息通过以太网上传至主控机显示，这种显示方式具有实时性好，观测方便等优点，尤其适用于快速原型设计之后某些不需要安装宿主机的场合。 

控制与信息处理单元24是目标机的核心，它担负着控制信息的采集，运算和输出的任务。相对于手工编写的C语言程序，Matlab/RTW模块生成的程序运算效率较差，且自动优化的效果在某些情况下难于做到尽善尽美，所以主控单元核心处理器件的处理速度需要较快，并在此基础上满足功耗要求。基于以上要求，系统优选TI的TMS320F28335作为核心处理器，并在此基础上编写核心处理模块硬件接口基于Simulink的框图，并使之通过编译之后可以生成芯片可执行的C语言源代码。 

主控机与外部扩展模块之间的通信由CAN总线完成，外部扩展模块可分为采集电桥信号(如力传感器)、0至10V模拟电压信号、0至20mA电流信号的模块，用以扩展适用于闭环之内需要实时反馈的传感器种类。 

根据图3所示，以电桥传感器采集模块为例解释模块的构成。电桥信号K101经过仪表放大器K201放大和抗混频滤波器K202低通滤波送入模数转换器K203进行模数转换，转换后的结果通过SPI总线传入信号处理器K300中进行信息处理，信息处理器优选STM32系列32位微控器，其主要特点是功耗低，内置CAN总线控制器。电桥信息通过CAN2.0总线控制器后与所述CAN总线驱动器K401相连，经RJ45接头K402与主控机交换信息。 

在机电控制系统中，通过CAN总线实现传感器的互联，减少了线缆的数量，提高了主控机对不同传感器的适应性。 

基于上述快速原型伺服系统，本发明提供了一种基于此快速控制原型的实现方法。下面结合典型机械臂控制系统，说明快速原型实现方法的实现流程。 

参见图4，本发明一种机器人伺服控制系统快速原型实现方法的实施流程图，包括以下几个步骤： 

Z401：建模、绘制控制框图以及通信框图。根据被控对象的特性与机器人所需要达到的控制目标，构建实时控制框图；根据宿主机所需要观测的控制参数以及反馈结果，构建通信框图。然后在宿主机上编写控制框图的程序。本发明宿主机优选Windows操作系统和Matlab/Simulink/RTW环境。在Simulink环境下拖拽主控机的控制框图、通讯框图和实时控制算法，构建实时仿真控制系统。 

Z402：编译、链接、下载到所述主控机。根据上一步已经构建完成的框图，通过RTW模块生成针对主控机的可执行代码，其中包括控制算法框图与通信框图转化成的可执行代码。 

Z403：采集所述被控对象以及相关传感器的数据。被控对象和相关传感器的数据作为控制器的反馈量输入到控制器中。其中被控对象的反馈数据包含采集到的编码器位置、对位置量进行一次微分和二次微分得到的速度和加速度信息，电流信息；以及外部力传感器模块反馈回的力传感器信息，所述力传感器信息需经过FIR低通数字滤波器处理后使用。 

Z404：伺服控制模块执行程序、将传感器的采集结果输入到编译后的控制器中。将步骤Z403反馈获得的信号传入经过宿主机编译生成的控制器中。在本步骤中，控制器已经编译成主控机的可执行代码，代码在宿主机的指令下开始执行。 

Z405：模块伺服控制执行程序、将传感器的采集结果输入到编译后的控制器中。用户构建的控制器将输入的控制量转换成脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)信号输出给功率驱动单元。 

Z406：将所述传感器采集结果通过所述以太网上传至宿主机中。宿主机对控制信号和反馈量的观测功能是快速原型系统的重要功能。在宿主机中，通过LabVIEW的图形化语言快速构建观测界面与控制面板。 

Z407：将所述传感器的采集结果以及被控对象的运行状态通过所述FlexRay总线与其他模块进行数据交换。需要说明的是Z407可以存在为整个顺序的任何位置。FlexRay总线的最大通信带宽可达20Mb/s，当系统需要多个电机协同运用时，可以让一台主控驱动器作为运算机，负责整个系统的位置解算工作，指令发送工作；让其余的主控驱动器作为伺服机，主要负责接收运算机发回的指令，向运算机反馈当前的位置等参量。在所有的发送和接受信息的过程中，FlexRay总线担当了数据交换的骨干任务，对于机械系统中新增加的自由度，只需增加所述主控机的数目并将其与FlexRay总线相连即可。 

Z408：显示所述仿真结果。显示单元用于在不方便使用宿主机的地方用于实现人机交互功能。 

Claims (6)

1.一种半实物实时仿真系统，包括宿主机(1)、主控机(2)和外部扩展功能模块(3)和被控对象(4)，其特征在于，所述主控机(2)包括下载单元(21)、通信单元(22)、人机交互单元(23)、控制及信息处理单元(24)、测试传感单元(25)、及功率驱动单元(26)；

所述下载单元(21)，用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序；

所述通信单元(22)，用于与外部扩展功能模块交换数据，也可连接其他的主控机实现机器人多关节协调控制；

所述人机交互单元(23)，用于显示仿真过程中的所需要观测的参数与调节控制系统参数；

所述控制及信息处理单元(24)，用于执行编译后的程序，生成控制结果，获取采集单元的数据；

所述测试传感单元(25)，用于获取被控对象反馈回来的状态信息；

所述功率驱动单元(26)，用于执行控制及信息处理单元生成的控制结果，驱动被控对象。

2.根据权利要求书1所述系统，其特征在于，所述外部扩展功能模块(3)中包括力传感器采集模块，用于采集放置于机械臂上的力传感器所反馈的力信号。

3.根据权利要求书1所述系统，其特征在于，所述通信单元(22)包含两个控制器区域网络(CAN，Controller Area Network)总线接口，一个以太网(Ethernet)接口。

4.根据权利要求书3所述系统，其特征在于，所述CAN总线接口中的一个与其他主控机通讯单元中的CAN总线接口交换数据；另一个CAN总线接口与外部扩张模块交换数据。

5.根据权利要求书3所述系统，其特征在于，所述太网接口与宿主机相连，用于传输控制信号与需要观测的数据。

6.一种权利要求1所述的半实物实时仿真系统的实现快速原型控制的方法，其特征在于，首先针对单个伺服驱动器件进行仿真；而后将控制数据通过FlexRay总线传输相互关联的控制信息，对整个系统进行仿真；最后将仿真的程序直接固化到所述控制及信息处理单元(24)中，从而实现快速控制原型功能。

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