CN1209722C

CN1209722C - 基于单处理器结构的教学机器人控制系统

Info

Publication number: CN1209722C
Application number: CN 03116687
Authority: CN
Inventors: 毛泰祥; 黄立波; 杨惠华; 杨汝清; 张伟军; 王春香
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2003-04-29
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2023-04-29
Also published as: CN1445687A

Abstract

一种基于单处理器结构的教学机器人控制系统，采用四级分层结构，应用程序层通过调用任务管理层提供的动态链接库接口函数实现两层间的数据交换，任务管理层与调度规划层采用进程间通信的方法实现两层间的数据交换，调度规划层与运动控制层运行于实时环境的同一个进程中，并通过全局对象完成彼此之间的数据交换。运动指令经由ISA总线和I/O数据接口卡分别传送到步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器，由角度编码器将转动的角度值采集并传送到PC机内，通过开环控制程序来完成步进电机的开环控制，通过闭环控制程序来完成交流伺服电机的闭环控制，并且通过网卡与以太网相连。本发明可实现“多人一机”的工作方式，提高教学机器人的使用率。

Description

基于单处理器结构的教学机器人控制系统

技术领域：

本发明涉及一种PC环境下的基于单处理器结构的教学机器人控制系统，属于机电控制领域。

背景技术：

目前，国内外存在的基于PC的工业机器人及教学机器人控制系统几乎全部采用多处理器(CPU)结构，其中又以两级主从处理器结构形式居多。考虑到完整的机器人控制器需要完成大量的实时与非实时的复杂任务，多处理器结构相对于单处理器结构而言，具有反应快，实时处理能力强等明显优点。英国Feedback仪器集团( www.fbk.com.cn)生产的SERPENT EC和GRYPHON EC教学机器人，其控制系统由两部分组成，上位机部分是一台PC机，负责完成管理和规划等任务；下位机部分是一个单片机，负责运动控制任务的完成。固高科技(深圳)有限公司( www.googoltech.com.cn)生产的GRB-200两自由度教学机器人是由一台PC机及插在PC总线上的运动控制卡组成，运动控制卡上包含专用的数字信号处理器(DSP)。这两种机器人都采用了双CPU结构，并且能够达到很好的控制性能。但是，对于教学用途而言，他们都存在着以下的不足之处：

1.控制系统结构比较复杂，成本较高，可靠性也有所影响。

2.控制系统下层CPU开放性较差，不利于控制课程的实验教学。

3.只能“一人一机”使用，教学机器人使用效率不高。

发明内容：

本发明的目的在于针对目前基于双CPU结构的教学机器人控制系统存在的问题，提出一种基于单处理器结构的教学机器人控制系统，使这类控制系统硬件结构简单、成本低、可靠性高、并且对下层运动控制教学有更好的开放性和“多人一机”的功能。

为实现这样的目的，本发明的PC机内部采用应用程序、任务管理、调度规划、运动控制四级分层结构，第一层应用程序层通过调用第二层任务管理层提供的动态链接库接口函数实现两层之间的数据交换，任务管理层与第三层调度规划层采用进程间通信的方法实现两层之间的数据交换，调度规划层与第四层运动控制层是一个整体的两个不同的组成部分，运行于实时环境的同一个进程中，并通过全局对象完成彼此之间的数据交换。运动指令经由ISA总线和I/O数据接口卡分别传送到步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器，由角度编码器将转动的角度值采集并传送到PC机内，通过开环控制程序来完成步进电机的开环控制，通过闭环控制程序来完成交流伺服电机的闭环控制，并且通过网卡与以太网相连。

本发明的控制系统具体包括：PC机、工业标准体系结构(ISA)总线、输入输出(I/O)数据接口卡、步进电机驱动器、步进电机、交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、角度编码器、角度编码器采集卡和网卡。I/O数据接口卡、角度编码器采集卡和网卡都插在PC机的ISA总线上，I/O数据接口卡上的输出端通过导线连接到步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器上，步进电机驱动器的输出通过导线连到步进电机上，交流伺服电机驱动器的输出通过导线连到交流伺服电机上，与交流伺服电机同轴连接的角度编码器的输出通过导线连到角度编码器采集卡上，网卡通过网线连到以太网上。

PC机内主要是通过实现四级分层结构来完成单CPU结构下整个教学机器人控制器的功能。第一层为应用程序层，可根据用户需要由用户自行完成，其中包括整个控制系统的人机接口、示教再现、点位控制、轨迹控制、网络控制等上层应用程序。第二层为任务管理层，这是整个机器人控制器的管理中心，统一管理所有应用程序层传递过来的任务数据，并按照其任务种类、任务执行顺序、任务优先级进行分类，并负责将任务数据传递至下层结构。第三层为调度规划层，主要特点是根据任务种类进行任务分派，并根据任务优先级进行多任务的调度，最终决定是否启动定时轨迹规划程序，并将规划所得中间指令传递至下层结构。第四层为运动控制层，其特点是采用脉冲发送程序完成步进电机的控制，采用速度指令接口完成伺服电机的控制，完成的功能是先获取从调度规划层传递过来的各种中间指令，并负责执行运动控制算法并将得到的运动控制指令输出到I/O数据接口卡以及将角度反馈值从角度编码器采集卡读入程序中。应用程序层和任务管理层对程序实时性的要求相对较低，其运行在操作系统的非实时环境下；调度规划层和运动控制层对程序实时性的要求较高，其必须运行在操作系统的实时环境下。任务管理层做成动态链接库(DLL)的形式，其和应用程序层运行在同一个进程中，应用程序层与任务管理层之间的数据交换通过调用DLL接口函数的方式来完成；任务管理层与调度规划层运行在两个不同的进程中，它们之间的数据交换是通过进程间通信的方式来完成的。调度规划层和运动控制层运行在同一个进程中，它们之间的数据交换可以通过定义有限的全局对象来完成。最后由运动控制层通过读写端口地址与控制系统硬件进行数据交换。

整个系统的工作过程为：

PC机运行四级分层结构来执行应用程序、任务管理、规划调度、运动控制等功能最终生成各步进电机和交流伺服电机的运动指令，该指令经由ISA总线和I/O数据接口卡分别传送到步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器上。步进电机驱动器输出的电流加在步进电机上，使步进电机转动，完成步进电机的开环控制；交流伺服电机驱动器的输出电流加在交流伺服电机上，使交流伺服电机转动，同时带动角度编码器转动，转动的角度值被角度编码器采集卡采集到PC机的ISA总线上并传送到PC机内，通过PC机内已有的闭环控制程序来完成交流伺服电机的闭环控制。利用网卡可以将PC机与以太网上的其它多个PC机相连，从而扩展了以太网上的机器人用户。

本发明中的每一层都可以用实现同样功能的新模块替换。

采用本发明中的教学机器人控制系统，与传统的教学机器人控制系统相比，主要效果有：

a)由于I/O数据接口卡、角度编码器采集卡和网卡上都没有CPU，这些板结构简单、成熟、从而使整个控制系统成本低、可靠性也得到提高；

b)单CPU结构的所有控制软件都是在PC机上通过编程来完成的，不管处于上层的应用程序和任务管理，还是处于下层的调度规划和运动控制都可以具有很好的开放性，使其更适合于教学的实际需要。

c)通过网卡与以太网相连，可以实现“多人一机”的工作方式，即多个学生可以同时在一个机器人上做实验，从而大大提高了教学机器人的使用率。

附图说明：

图1为本发明的教学机器人控制系统结构示意图。

图2为PC机内部的教学机器人控制子系统结构示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明的系统包括：PC机、ISA总线、输入输出(I/O)数据接口卡、步进电机驱动器、步进电机、交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、角度编码器、角度编码器采集卡和网卡。I/O数据接口卡、角度编码器采集卡和网卡都插在PC机的ISA总线上，I/O数据接口卡上的输出端通过导线连接步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器，步进电机驱动器的输出通过导线连接步进电机，交流伺服电机驱动器的输出通过导线连接交流伺服电机，与交流伺服电机同轴连接的角度编码器的输出通过导线连接角度编码器采集卡，网卡通过网线连接以太网。

如图2所示，本发明采用了单处理器结构，在PC机内部，通过同时运行四级分层结构来完成单CPU结构下整个教学机器人控制器的功能。第一层为应用程序层，实现用户应用程序功能，运行于操作系统的非实时环境下。第二层为任务管理层，实现多任务管理，运行于操作系统的非实时环境下。第三层为调度规划层，实现任务分派、任务调度、路径规划、插补运算等功能，运行于操作系统的实时环境下。第四层为运动控制层，实现将基本动作与机器人本体联系起来的运动控制，运行于操作系统的实时环境下。第一层应用程序层通过调用第二层任务管理层提供的动态链接库接口函数来实现两层之间的数据交换；第二层任务管理层与第三层调度规划层采用进程间通信的方法来实现两层之间的数据交换；第三层调度规划层与第四层运动控制层是一个整体的两个不同的组成部分，它们运行于实时环境的同一个进程中，并通过全局对象来完成彼此之间的数据交换；最后第四层运动控制层通过读写端口地址与控制系统硬件进行数据交换。由于以上关系，每一层都可以用实现同样功能的新模块替换。

PC机启动后，先运行调度规划层和运动控制层程序，启动一个进程，再运行应用程序层程序启动另一个进程，应用程序层通过动态链接库接口函数来调用任务管理层，任务管理层通过共享内存数据段的进程间通信方法把数据传递给调度规划层，调度规划层通过全局对象把中间指令传递给运动控制层，运动控制层最终生成各步进电机和交流伺服电机的运动指令，并通过读写端口地址的方式把数据经由ISA总线和I/O数据接口卡分别传送到步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器上。步进电机驱动器输出的电流加在步进电机上，使步进电机转动，完成步进电机的开环控制；交流伺服电机驱动器的输出电流加在交流伺服电机上，使交流伺服电机转动，同时带动角度编码器转动，转动的角度值被角度编码器采集卡采集到PC机的ISA总线上并传送到PC机内，通过PC机内已有的闭环控制程序来完成交流伺服电机的闭环控制。利用网卡可以将PC机与以太网上的其它多个PC机相连，从而扩展了以太网上的机器人用户。

Claims

1、一种基于单处理器结构的教学机器人控制系统，其特征在于包括：I/O数据接口卡、角度编码器采集卡和网卡都插在PC机的工业标准体系结构ISA总线上，I/O数据接口卡的输出端连接步进电机驱动器和交流伺服电机驱动器，步进电机驱动器的输出连接步进电机，交流伺服电机驱动器的输出连接交流伺服电机，与交流伺服电机同轴连接的角度编码器的输出连接角度编码器采集卡，网卡通过网线连接以太网；PC机内部采用四级分层的单处理器结构，第一层为应用程序层，其中包括整个控制系统的人机接口、示教再现、点位控制、轨迹控制、网络控制应用程序；第二层为任务管理层，程序以动态链接库的形式实现，统一管理所有应用程序层传递过来的任务数据，并按照其任务种类、任务执行顺序、任务优先级进行分类，并负责将任务数据传递至下层结构；第三层为调度规划层，根据任务种类进行任务分派，并根据任务优先级进行多任务的调度，最终决定是否启动定时轨迹规划程序，并将规划所得中间指令传递至下层结构；第四层为运动控制层，实现将基本动作与机器人本体联系起来的运动控制，采用脉冲发送程序完成步进电机的控制，采用速度指令接口完成伺服电机的控制，获取从调度规划层传递过来的各种中间指令，并负责执行运动控制算法并将得到的运动控制指令输出到I/O数据接口卡以及将角度反馈值从角度编码器采集卡读入程序中；第一层和第二层运行在操作系统的非实时环境下，第三层和第四层运行在操作系统的实时环境下，第一层通过调用第二层提供的动态链接库接口函数来实现两层之间的数据交换，第二层与第三层采用进程间通信的方法来实现两层之间的数据交换，第三层与第四层运行于实时环境的同一个进程中，并通过全局对象来完成彼此之间的数据交换，第四层运动控制层通过读写端口地址与控制系统硬件进行数据交换。