CN116088363B - 一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，机器人控制器包括第一控制模块、第二控制模块，第一控制模块用于负责机器人运动控制，第二控制模块用于负责各电机的驱动控制，第一、二控制模块之间进行数据交互；搭建机器人运动控制模型和电机驱动模型，第一编译器对机器人运动控制模型编译生成可执行文件，第二编译器对电机驱动模型进行编译生成bit文件，将可执行文件和bit文件打包压缩生成压缩包并将压缩包下载至机器人控制器，机器人控制器接收到压缩包后进行解压，并将解压后的可执行文件和bit文件部署至第一控制模块，第一控制模块将bit文件传输给第二控制模块，第二控制模块接收和运行bit文件，并向第一控制模块反馈正常运行信号，第二控制模块接收到正常运行信号后开始运行可执行文件，程序下载运行完成。本发明提供的上述方案，避免通过手动编程带来的繁琐调试过程，实现软件开发高度集中与自动化，避免控制器与驱动器代码分别下载、调试，简化系统调试过程，降低调试、测试成本，实现更深度更合理的前馈控制架构。

Description

一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统。
背景技术
机器人控制器与驱动器都是机器人关键的核心零部件，其作用直接影响到机器人的使用性能。机器人控制器主要负责机器人的运动控制、人机交互等，驱动器主要负责机器人各个关节电机运动控制，控制器与驱动器之间通过工业总线实现通讯。由于控制器与驱动器之间需要通过很多工业总线连接，容易使得布线凌乱、体积增大，导致安装、生产、布局等成本增加。
传统机器人驱控一体化控制器开发，是将控制器与驱动器控制芯片集成到一个PCB板卡上，之间通过CAN/SPI等协议实现通讯，然后采用编程语言分别对控制器和驱动器的进行软件编程，最后编译下载调试。这种方式控制器与驱动器之间软件层面耦合性低，而且调试过程繁琐、复杂，对开发人员很不友好，使得驱控一体化优势没有最大发挥。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，其可以用于解决上述问题。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，其特征在于：机器人控制器包括第一控制模块、第二控制模块，第一控制模块用于负责机器人运动控制，第二控制模块用于负责各电机的驱动控制，第一、二控制模块之间进行数据交互；
搭建机器人运动控制模型和电机驱动模型，第一编译器对机器人运动控制模型编译生成可执行文件，第二编译器对电机驱动模型进行编译生成bit文件，将可执行文件和bit文件打包压缩生成压缩包并将压缩包下载至机器人控制器，机器人控制器接收到压缩包后进行解压，并将解压后的可执行文件和bit文件部署至第一控制模块，第一控制模块将bit文件传输给第二控制模块，第二控制模块接收和运行bit文件，并向第一控制模块反馈正常运行信号，第二控制模块接收到正常运行信号后开始运行可执行文件，程序下载运行完成。
具体的方案为：第一控制模块为x86处理器，第二控制模块为FPGA处理器，第一、二控制模块之间采用PCIe高速总线通讯、数据交互。
第一编译器为x86编译器，第二编译器为FPGA编译器。
采用Matlab/Simulink软件搭建机器人运动控制模型和电机驱动模型。
机器人运动控制模型包括用于负责机器人运动控制、轨迹规划、安全功能算法和功能实现。
电机驱动部分模型包括用于负责伺服位置环、速度环、电流闭环的实现，电流闭环在PI控制器基础上增加PDP+不等式约束算法，在机器人带载高速运行的时候，提供更好的轨迹跟踪性能。
第一控制模块与示教器通讯连接，第一控制模块上具有RS232、Ethernet通讯接口。
第一控制模块上具有数字信号、模拟信号、编码器、驱动电路等伺服驱动器控制信号的接口。
本发明提供的上述方案，基于模型设计开发驱控一体化，可以实现一键编译下载运行，避免通过手动编程带来的繁琐调试过程，降低研发与企业成本。将控制与驱动的模型整合集中，实现软件开发高度集中与自动化，避免控制器与驱动器代码分别下载、调试，简化系统调试过程，降低调试、测试成本。将控制与驱动的模型整合集中，软件算法层面深度耦合，实现更深度更合理的前馈控制架构。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明硬件构架图。
图3为机器人运动控制模型图。
图4为电机驱动模型图。
图5为本发明运行流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明提供的基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统如图1、2所示，采用x86+FPGA硬件架构，其中x86处理器负责机器人运动控制，FPGA处理器负责各个电机的运动控制，x86处理器与FPGA处理器之间通过PCIe高速总线通讯、数据交互。x86处理器与示教器进行通讯，x86处理器上具有RS232、Ethernet等通讯接口，方便接其他外设；FPGA处理器提供与数字信号、模拟信号、编码器、驱动电路等伺服驱动器控制信号的接口。
在Matlab/Simulink软件中建立一个机器人控制器的Simulink模型，Simulink模型包含机器人运动控制模型与电机驱动模型，机器人运动控制模型与电机驱动模型分别采用x86编译器和FPGA编译器进行编译。机器人运动控制模型主要负责机器人运动控制、轨迹规划、安全功能等算法和功能实现，如图3所示，依据轨迹任务(示教器)、配置信息(包括关节数量、电机参数等)和采集信号(包括关节实际位置、关节实际速度、关节实际电流、关节实际运动模式、关节实际状态)进行轨迹规划，考虑障碍物的避让，优化轨迹进行插补，对各轴的速度位置进行规划，考虑各轴的运动范围、速度极限、功率极限，对各轴目标速度、位置进行优化，基于电流、速度前馈进行逆运动学解算，关节伺服指令下发和信号输出。指令下发包括关节目标指令和关节目标控制模式，信号输出包括向示教器输出机器人状态、关节信息。电机驱动模型主要负责伺服位置环、速度环、电流闭环的实现，三环之间可以相互切换；如图4所示。依次进行模拟量数据采集与处理(包括关节目标指令、关节目标控制模式、电压、电流、温度)，编码器数据采集和处理，位置环、速度环、电流环的调控，坐标变换和SVPWM变换，PWM输出(包括PWM控制信号、抱闸信号)。电流闭环在常规PI控制器基础上，增加PDP+不等式约束算法，在机器人带载高速运行的时候，可以提供更好的轨迹跟踪性能。
增加的PDP+不等式约束算法为：
其中，为广义输出控制力，/>为惯性矩阵标称项，/>为科里奥利力和离心力矩阵，是重力矩阵，yd、/>和/>分别是广义期望位移、速度和加速度，S为引入的系数对角矩阵，e、/>和/>分别代表期望值与实际值的偏差位置、速度和加速的，Kp和Kv分别是比例系数和微分系数，/>是引入的鲁棒控制项，其具体可以表述为：
其中，是整个系统的所有不确定性的上界，ε是所引入的正设计参数，系统最终稳定的范围可通过调整该参数改变，其中/>可进一步表述为
如图5所示，机器人驱控一体化控制系统运行的时候，x86处理器和FPGA处理器通过PCIe高速总线交互数据；机器人运动控制模型与电机驱动模型搭建完成之后进行编译下载处理，点击对应Matlab/Simulink中对应启动按钮后进行自动化处理流程：x86处理器和FPGA处理器各自对应模块编译完成后，将x86处理器编译生成的可执行文件、FPGA编译生成的bit文件打包压缩到一起，下载到机器人控制器里面；机器人控制器接收到压缩包之后，进行解压，对x86处理器进行部署；x86处理器通过PCIe高速总线将FPGA编译生成的bit文件传输给FPGA处理器；FPGA处理器正确接收并运行程序后，给x86处理器反馈正常运行信号，x86处理器接收到正常运行信号后开始运行可执行文件，程序下载运行完成。
本发明提供的上述方案，可以实现一键编译下载运行，避免通过手动编程带来的繁琐调试过程，降低研发与企业成本。将控制与驱动的模型整合集中，实现软件开发高度集中与自动化，避免控制器与驱动器代码分别下载、调试，简化系统调试过程，降低调试、测试成本。将控制与驱动的模型整合集中，软件算法层面深度耦合，实现更深度更合理的前馈控制架构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、机构以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (3)

1.一种基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，其特征在于：机器人控制器包括第一控制模块、第二控制模块，第一控制模块用于负责机器人运动控制，第二控制模块用于负责各电机的驱动控制，第一、二控制模块之间进行数据交互；搭建机器人运动控制模型和电机驱动模型，第一编译器对机器人运动控制模型编译生成可执行文件，第二编译器对电机驱动模型进行编译生成bit文件，将可执行文件和bit文件打包压缩生成压缩包并将压缩包下载至机器人控制器，机器人控制器接收到压缩包后进行解压，并将解压后的可执行文件和bit文件部署至第一控制模块，第一控制模块将bit文件传输给第二控制模块，第二控制模块接收和运行bit文件，并向第一控制模块反馈正常运行信号，第二控制模块接收到正常运行信号后开始运行可执行文件，程序下载运行完成；
第一控制模块为x86处理器，第二控制模块为FPGA处理器，第一、二控制模块之间采用PCIe高速总线通讯、数据交互；第一编译器为x86编译器，第二编译器为FPGA编译器；采用Matlab/Simulink软件搭建机器人运动控制模型和电机驱动模型；机器人运动控制模型包括用于负责机器人运动控制、轨迹规划、安全功能算法和功能实现；电机驱动部分模型包括用于负责伺服位置环、速度环、电流闭环的实现，电流闭环在PI控制器基础上增加PDP+不等式约束算法，在机器人带载高速运行的时候，提供更好的轨迹跟踪性能；
增加的PDP+不等式约束算法为：
其中，为广义输出控制力，/>为惯性矩阵标称项，/>为科里奥利力和离心力矩阵，/>是重力矩阵，yd、/>和/>分别是广义期望位移、速度和加速度，S为引入的系数对角矩阵，e、和/>分别代表期望值与实际值的偏差位置、速度和加速度，Kp和Kv分别是比例系数和微分系数，/>是引入的鲁棒控制项；
其中，是整个系统的所有不确定性的上界，ε是所引入的正设计参数，系统最终稳定的范围通过调整该参数改变；
2.根据权利要求1所述的基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，其特征在于：第一控制模块与示教器通讯连接，第一控制模块上具有RS232、Ethernet通讯接口。
3.根据权利要求1所述的基于模型设计的机器人驱控一体化控制系统，其特征在于：第一控制模块上具有数字信号、模拟信号、编码器、驱动电路接口。
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驱控一体伺服系统的FPGA模块设计与应用;曾轩;刘超;盛鑫军;朱向阳;;机电一体化(04);全文 *

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