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硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 as t r a c t s ubj峨 。 。 r n e s 丘 o mthe ac tt 以 i pr oj e ot ，mul ti 甲 叨 甲 。 ses pec i alm o v a b 1 e l a bor robot of n anjins s ci e 幻 t i fic b ure au. a c cording to此 介 祠 u e stof the p 州 刀 e t ， desi gning 朗d d e v e 1 0 p 川 gth econ 仃 0 】 s y s t em of the 伙 记 妙o rk g e n e ra 妞 ed 介 0 工 dth em bol c o n tr o 】 l ed 抚 沁 腼iq u e and m 引 由 odath o m e 朋d a b r o 祖. f i rstl y ， 叨 n s 住 u c t i ngthe o n e 户 t o . m any (2) 各部分的数据交换必须有高的实时性和可靠性; ( 3 ) 控制系统应具有良 好的抗千扰性; ( 4 )系统尽可能的标准化、模块化，开放性好，具有良 好的可扩展性; ( 5 ) 控制特性优良。 2 . 1 . 2控制系统方案选择 结合项目的技术要求，系统采用的主控计算机为高性能的嵌入式单板计算机 ( s b c ) ;采用超声波传感器和光电传感器相结合的方式探测机器人运行过程中的障 碍信息; 通过数字磁罗盘和倾角传感器来获得移动机器人的高精度航向信息和姿态信 息: 运动控制单元采用具有单独运行和控制能力的e l m o h a n 刀 o n i ca数字伺服驱动器; 机器人车体主控计算机以u sb无线网卡与远程监控系统组成无线局域网进行通信。 结 合项目 特点 综合考虑以 下两个控制方案，方案一和方案二如图2 . 1 . 2 . 1 、2 . 1 . 2 . 2 所 不 。 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 rs 一3 2 人曰曰。的“ r s . 2 3 2 声波信息采集模块倾角传感器 图212 . 1多用途特殊移动作业机器人控制方案一:c a n总线方式 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 遍 税 蓝 州 系统 乞_一一一. 反恤信号- 电机驱动器 无线局域网 少r弋 价口了 红外光电开关 左前 红外光电 开关 右前 _! 敷 _ 电机驱动器 月 左 驱 动 电 机 码 盘 一 反该信号 - - - 一一 月 右 驱 动 电 机 码 盘 1 叫单板计算机反该信号 红外光电开关 后中 电机驱动器 电机驱动器 叫 旋转电机 码盘 一f卜tz 闷奋奋，叹 f，哪略， 红外光电开关 后右 反翎信号 r s . 2 3 2 rs 一 2 3 2 倾角传感器 磁 罗盘 超声波传感器 前左 超声波传感器 前右 图2 . 1 ， 2 . 2多用途特殊移动作业机器人控制方案一: rs一 2 32 方式 比 较两种控制方案，方案一是基于 以n总线的分布式控制系统，方案二为基于 rs一 2 3 2 通信的 控制方式。 现在将两种控制方案进行比 较: 方案一:基于c an总线的分布式控制 ( 1) 系统具有良 好的故障隔离能力 c 洲总线的收发接口电路由器件实现， 控制器件是通过它的两个输出端( 以nh和 以nl) 与物理总线进行连接的。按照c anz . 0 规范， 在任意时刻，以nh端的电 平只能是 高电 平和悬浮状态， 而c anl 端的电 平则只能是低电 平和悬浮状态，c an的这种电 平特 性 使得即 使多个节点同时向总线发送数据， 也不会把单个节点的故障“ 传染” 给总 线上的其它节点。另外，c an总线的节点在错误严重时能够自 动关闭，以保证总线上 其它节点的操作不受影响 1 幻 3 ， 。 ( 2 ) c a n 控制、 通信方式多样、灵活 利用c a n 总线通信只需通过报文即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 硕士论文 多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 方式接受数据，进行相应的控制操作，无需专门“ 调度” ( 3) 以n 通讯具有良好的可靠性 1 1 1 1 门 1 口 2 c 八 n 的每帧信息都有c rc校验及其其他检验措施 ( 4 )网 络的实时响应性能好 以n 对于传送的信息帧可以设定不同的优先级， ，保证了 数据通讯的可靠性111 : 。 并通过总线仲裁机制使高优先级 的信息能够被优先及时地传送， 这就保证了 某些需要实时得到处理的信息能够及时地 被处理， 幻 3 ， 。 (5) c a 刊 总线的通信距离远通信速率高 c 洲总线的 通信距离最远可达10km( s k b ps以 下) ， 其通信速率最高可达i mbps( 此时 通信距离在40m 以下) lj 幻 3 ， 胡 ， 这一特点对构建大型系统极为有利， 特别是通讯距离 相对较短的机器人控制系统尤为合适。 ( 6 ) c a n总线的开发目 前可借鉴经验少，特别是应用层协议软件的编写所用时 间长，所以基于c an 总线的控制系统的开发周期相对r s 一 2 32方式较长。 方案二:基于r s 一 2 32通信的控制方式 ( 1) 通信速率低，由于 r s 一 2 32 端口的限制，r s 一 2 32 标准规定， 其最大距离仅 为1 5 m ， 信号传输速率最高为2 0 k b i t / 5 5， 。 (2) rs一 232 通讯属于一种电 气规范， 接口 使用一根信号线和一根信号返回线而 构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰， 所以抗噪声千扰弱， 可靠性 差冈玛 。 (*3) 不具备抗电 磁干扰性能， 而且不能 解决冲突 检测、 链路维护等问 题t30阅 . ( 4 )价格低，易于安装，程序编写相对容易。 而对于机器人的控制系统， 对通信方式的选择至关重要， 上位计算机和下位控制 器间的通信既要满足硬件连接简单， 扩展方便，又要满足通信的高可靠性和实时性. 而c an总线结构简单，只有两根信号线， 挂接在总线上的设备可方便地增减，具有优 良 的可扩展性; c an总线还有传输速率高、实时性强、灵活、可靠等优点。因此，为 了 解决系统通信时的实时性、 可靠性及抗干扰等特殊要求， 采用有效支持分布式控制 和实时控制的串行通信网络c an总线作为控制系统的通信标准。 2 . 2多用途特殊移动作业机器人控制系统硬件构成 2 . 2 . 1多用途特殊移动作业机器人电机、编码器、驱动器选择 以x on直流无刷电 机、减速箱、 光电 编码器、 elmo h armo n i c 数字伺服驱动器构 成伺服电 机驱控系统。 光电编码器输出信号接入elmoh armonic 数字伺服驱动器，由 elmo h arm o nic 数字伺服驱动器计算电 机转动角度、速度、加速度等信息，并实现对 电 机的伺服控制。单板计算机p c m ee 9 3 75通过与el. h armonic 数字伺服驱动器的实 l l 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 3基于c a n总线的多用途特殊移动作业机器人驱动控制系统设计 3 . ic 朋总线技术概述 3 ， 11 c a n 总线的 概念 c a n con tr o i lera j e a n et 切 o r k )即控制器局域网，它是20世纪八十年代德国的 bosch 公司为了解决现代汽车中众多的 控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种 支 持 分 布 式实 时 控 制的串 行通 讯网 络 系 统11 一 lsj 吻 卜 1刘 。 1 9 91年 9 月 p hi lipss e m ico n d u c tors 制定并发布了 c a n 技术规范。 该技术规范包括a 和b 两部分。 c a n z .0 a 给出了 c an报文的 标准格式， 而c a 叫 2阳给出了 标准和扩展的两种格式。 此后， 1 9 93年h月1 50正式颁布 了道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器局域网 (ca n) 国际标准 15011 8 9 8 。由 于c a n 总线本身具有的高 性能、高可靠性等特点， 其应用范围目 前已 经 不在局限于汽车行业，而向过程工业、 机械工业、纺织工业、 农用机械、 机器人、数 控机床、医疗器械及传感器等领域发展。 c an已 经形成国际标准，并己经被公认为几 种 最 有 前 途 的 现 场 总 线 之 一 tl 3 。 3 . 12c a n 总线的特点 can 属于总线式串行通讯网络，由 于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般 的通讯总线相比， c an总线的数据通讯具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性， 其 特点 可以 概 括如下川 切 川 : 通讯方式灵活。 c an为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动 的向网络上其他节点发送信息， 而不分主从， 且无需站地址等节点信息。 利 用这一特点可方便的构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先 级较低的节点会主动的退出发送， 而最高优先级的节点可不受影响的继续传 送数据， 从而大大节省了总线冲突仲裁时间， 尤其是在网络负载很重的情况 下也不会出现网络瘫痪情况。 卜 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式 传送数据，无需专门的 “ 调度”。 以n 的直接通信距离最远可 达10腼 ( 传输速率s k b / 5 以 下); 通信速率最高 可 达i m b /s ( 此时 通信距离最长为40m )。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目 前可达1 10个; 报文标识符可达 2032种 ( c anz . o a) ，而扩展标准 ( c 洲2 . o b) 的报文标识符几乎不受限制。 c a n 总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有及好的 2 2 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 检错效果。每帧字节数最多为8 个，可满足通常工业领域中控制命令、工作 状态及测试数据的一般要求。同时， sb也不会占用过长的总线时间，从而保 证了通信的实时性。 c a n 的每帧信息都有c rc校验及其他检错措施，保证了数据通信的可靠性. c a n 总线通信接口中集成了 以n 协议的物理层和数据链路层功能， 可完成对通 信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别 等多项工作。 can 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤， 选择灵活。 c a n 节点在错误严重的 情况下具有自 动关闭输出功能，以 使总线上其他节点 的操作不受影响。 a梦卜卜 3 . 1 . 3以n 的分层结构 为使设计透明和执行灵活，c a n定义了15 0 / 0 51标准模型的最低两层，即物理 层和数据链路层，其中数据链路层又包括逻辑链路控制子层 l l c和媒体访问子层 ma c 。而在c a n技术规范2 刀 a中，数据链路层的l l c和ma c子层的服务和功能 被描述为目 标层和传输层。c a n技术规范2 . o b定义了数据链路层中的ma c子层和 l l c子层的一部分， 并描述了与c a n有关的外层接口。 物理层定义信号怎样进行发 送，因而， 涉及位定时、 位编码和同步的描述， 在这部分规范中， 未定义物理层中的 驱动器/ 接受器特性，以便允许根据具体应用对发送媒体和信号电平进行优化。ma c 子层是c a n协议的核心，它描述由l l c子层接收到的报文和对l lc 子层发送的认 可报文。ma c子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。mac子层又称为 故障界定的一个管理实体监控， 他具有识别永久故障或短暂扰动的自 检机制。 l lc子 层的主要功能是报文滤波、 超载通知和恢复管理。 图3 . 1 . 3 . 1 解释了以n 的分层结构 和功能【 ， 幻 t3 ， 。 图3 . 1 . 3 . i c a n 的分层结构 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 3 . 1 . 4c an报文的数据帧结构 c an通讯协议2 . 以规定了4 种不同的帧格式:数据帧、远程帧、错误帧和超载 帧。 其中数据帧用于传送数据， 远程帧用于请求数据， 超载帧用于扩展帧序列的延迟 时间， 而当局部检测出错条件后产生一个全部信号出错帧川 211 ” 。在本项目中主要是 用数据帧传输由单板计算机发送给各驱动器的的控制指令。 c an总线的数据帧由七个不同的 位场组成，即帧起始标志位、仲裁场、控制场、 数据场、 c rc 检查场、ck应答场和帧结束标志位。数据场长度可为零。 c anz . 以 数 据帧的组成如图3 . 1 . 4 . 1 所示llj 【3 ， 。 帧间空间帧间空间 或超载帧 仲裁场 控制场 数据场 c r c 场帧结束 起始帧 a c k场 图3 . 1 . 4 . 1 数据帧结构 在c a n z 一o b中存在两种不同的帧格式， 其主要区别在于标识符的长度，具有11 位标识符的帧称为标准帧， 而包括29位标识符的帧称为扩展帧， 其格式如图31 . 42 所 示 1131。 s ofr tidro 扩展格式 s r 夕i der 了 r r! r o 图3 ， 1 4 . 2标准格式和扩展格式 1) 帧起始标志位 (s邵) 标志着数据帧和远程帧的 起始，它以一个比 特的显位 出现， 只有在总线处于空闲状态时， 才允许站开始发送， 这个状态将结束总线空闲状 态 ( 被动状态) ， 表明有某个节点设备开始发送消息， 并且所有站都必须同步于首先 开始发送的那个站的帧起始前沿。 2) 仲裁场 ( a rbl t n 戏 沁 n fi el d) 由标识符 (i d e n t i 五 e r ) 和远程发送请求位 ( r t r ) 标志组成。 对于c a n z. o a标准， 标识符的长度为11位， 这些位以从高位到地位的顺 双 硕士论文 多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 序发送， 最地位为id.0 ， 其中最高7 位不能全为隐位。 在数据帧中， 盯r 位总是设成 0 ，而在远程帧中必须为1 。对于c a c z . ob，标准格式和扩展格式的仲裁场格式不同。 在标准 格式中， 仲裁 场由11位标识符和 远程发 送 请求 位盯r 组成， 标识符为id. 28 功. 18， 而在扩展格式中， 仲裁场由29位标识符、 替代远程请求s rr位、 标识位和远 程发送请求位组成。标识符位为id 28一id o 。ide 位对于扩展格式属于仲裁场，对 于标准格式属于控制场。i de在标准格式中以显性电平发送， 而在扩展格式中以隐性 电平发送。 3) 控制场包括数据长度码和两个保留位，这两个保留位必须发送显性位。数据 长度码 ( d lc)为4 位，它指出了数据场的字节数目。 4 ) 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0 8 个字节。 5 )c rc场包括c rc序列，后随c rc界定符。 6) 应答场 ( ac劝 位， 包括应答间隙和应答界定符。 在应答场中， 发送器送出两 个隐位。 一个正确的接收到有效报文的接收器， 在应答间隙， 将此信息通过发送一个 显位报告给发送器。 所有接收到匹配c rc序列的 站， 通过在应答间隙内 把显位写入发 送器的隐位来报告。 应答界定符是应答场的第二位， 并且必须是隐位，因此， 应答间 隙被两个隐位包围。 7 )帧结束:每个数据帧和远程帧均由7 个隐位组成的标志序列界定。 3 . zc an总线的应用层协议c 胡叩en c a n 的 基本协议只有物理层协议和数据链路层协议。而实际上c a n 的核心技术 是它的m a c 应用层协议。 c anopen协议是由 c 认协会针对c an协议的不完整性， 依据工 50 1 18 98国际标准， 以 开放系统互联网络05工 为参考模型而定义出的一个更高 层次的协议 应 用 层 协议tl 。 习 一 【网 。 以n open的 设 备 规 范， 使 得制 造商可以 按照 其规 范 生产 标准 的 通用设备，不需要特殊软件就能把不同 厂家的设备进行组网络. c i a 提供了 包括了 应用层和通讯子集c i ai)s 一 3 0 1 、 c i ad s p 一 4 0 1 的1 / 0 模型、 c i ad s p-4 0 2 的伺服驱动设 备模型、 c 认dsp 一 4 0 3 操作和显示设备模型、 c ia璐尸 - 4 0 4 传感器和调节器模型等规范。 在本项目 中 使用应用层和通讯子集c 认 d s 一 3 01和伺服驱动设备子集c ia ds卜4 02对机 器 人 进 行 驱 动 控 制 ， ， ， . 一个c anopen设备模块可分为3 部分， 如图3 ， 2 . 1 所示。通信接口 和协议软件用于 提供在总线上收发通信对象的服务: 不同 c 人 n 叩en设备间的通信都是通过交换通信对 象来完成的， 这一部分直接面向 c an控制器进行操作。对象字典描述了 设备使用的所 有数据类型、 通信对象和应用对象: 对象字典位于通信程序和应用程序之间， 用于向 应用程序提供接口.应用程序对对象字典进行操作，即可实现以n 叩en通信.它包括 功能部分和通信部分， 通信部分通过对对象字典进行操作实现c a n 叩e n 通信;而功能 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 部分则根据应用要求来实现11 闰川 国。 图3 . 2 . i c ano p e n 设备模型 在can 叩en网 络系统中 每个节点都有唯一的一个对象字典，而且每个节点的 对象 字典都具有相同的结构， 但具体的内容要根据不同的设备而定， 包含了描述该设备及 其网络行为的所有参数。 c an叩en协议还定义了 4 种报文( 通信对象) ， 用于对不同作用 的信息进行处理，分别为管理报文(n 解) 、服务数据对象( sdo)、过程数据对象( pdo) 和预定义报文或特殊功能对象 门 洲35) 。 3 . 2 . ic ano p e n 对象字典 对象 字典是设备规范中 最重要的 部分。 c a n 。 沐 n 的 对象字典o d( o bj 浏 di vtio n a ry ) 是 一 组 有序的 对 象， 每 个 对 象 通 过16 位的 索引 来寻 址， 为了 允 许访问 数 据结构中的单 个元素，同 时定义了 一个 8 位的 子索引。 c a n 叩en对象字典 如表3 . 2 . 1 . 1 所示。 其中， d 劝0 00o x0f f f 仅仅用于定义对象类型， 节点的数据是存放在o x10 0o o x g f f f 中的，于 圈“ ， 肠 ， 。 表3 . 2 . ic ano p 即对象字典 索引对象 0 0 0 0保留 0 0 0 1 0 0 l f 静态数据类型 ( 标准数据类型， 如boo le an， i n t e ger12) 0 0 2 0 0 0 3 f复杂 数据类型 ( 预定义的 结构， 由 标准数据 类型 组合而成， 如f l 减 犯 。 咖p a r ， s dop a r 曲e t e r() 0 0 4 0 0 0 5 f制造商定义的复杂数据类型 0 0 6 0 0 0 7 f设备规范定义的静态数据类型 0 0 8 0 0 0 9 f设备规范定义的复杂数据类型 00a 0 o f ff保留 1 0 0 0 i f f f通信对象区域 ( 如设备类型， 错误寄存器，支持的p do数目 等) 2 0 0 0 s f f f 设备制造商相关区域 6 0 0 0 eeg f f p标准化的设备规范区域 ( 如适用于1 /0的dsp se 4 0 1) a00 0 b fff接口规范说明区域 c00 0 f f f f保留 硕士论文 多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 每个设备拥有一个od， 该od包含了该设备的所有参数以 及网络行为。 节点的od 对象主 要以 数据库的形式存储于e d s( e l e c t r o n i cd a t as h e e ta s c l l 文件，具有严 格的语法，可以在相关网站免费下载)。只要节点能够按照其od 的规定进行操作就 可以了， o d中的项有的是必须实现的 ( 这部分实际上非常少)，有的是可以 选择实 现的。 od通过通信对象 (c。 画 n i cationobj ect s) 描述了设备的所有的功能， 介于应 用是、 程序和通信接口 之间。 一个设备的所有的通信对象使用标准化的方式在对象字 典中进行描述， 它提供了完全访问应用程序的途径， 拥护可以 访问 应用数据和配置参 数。 3 . 2 . 2 以nopen 协议的 通信模型 通信模型包括以n o pen 网络上的消息帧， 以 及内 容和功能。 一共定义了4 种消息 帧 幻 ， 洲 ， ， 5 ， 。 1 ) 管理消息。网 络管理对象 ( n e t w o r k晚n a g e m e n t ，n 肛) 对象包括 b o o t 一 u p 消息( 设备发出b o ot一 u p 消息通知刊 m t 主节点已 经到就绪状态) ， 能art b eat 协议( 解 决错误控制，显示节点当前的状态)以及n 毗消息. 2 ) 服务数据对象。 服务数据对象( s e r i c e o a t a o b j e c t ， s d o ) 里说的对象obj e c t 等同于消息，不是od对象。 sdo 提供客户访问服务器的od功能。在sdo 的开头几个 字节指定 要访问的 对象的索弓 和子索引。 s do是 依据以l( c a n a 即l ic ati on l ayer) 的复用域类型的c m s( c a n 一 b a s e d m e s s a g e s p e c i f i c a t i o n )而实现。s d o 请求总伴随 者s d o 应答，因此s d o 通信的网络负担比 较重。 3) 过程数据对象。 过程数据对象 p roc “sdata o b j ect ，p d o )为一点 对多点 的数据通信方式， 用于各节点模块之间的数据通信传输。 数据从一个节点出 发( 生产 者) ， 可以 有多个节点接收 ( 消费者) 。 生产者和消费者事先都已 知道数据的类型和 内容( 通过设置p d o 映射来管理) ， 因此pdo 传输没有额外的协议。 过程数据映射到一 个以n 帧中， 最多 有88的数据。 4 ) 预定义的消息或者特殊功能。c a n 叩en定义了3 种特殊协议:同步，紧急事 件和时间戮。 3 . 3多 用途特殊移动作业机器人驱动控制系统c a n 总线设计 多用途特殊移动作业机器人驱动控制系统的设计是基于c an叩e n 协议对象字典的 设计。 机器人电 机的 控制命令通过主控制计算机p c m se p 3 75对c an适配卡pcm 一 3 6 80中的 以n 控制器 s j a i o 00编写 相应的p do过程数据发 送程序， 实现c a n 总线通信控制， 再通过 p c m 3680中的 以n 收发器p82 c 2 50发送pdo 过程数据到机器人各电机的 e 加o h arm o ul ca 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 驱动器，向其相应的数据字典写入数据来实现。 3 . 3 . i c a n 叩e n 对象字典的建立 在多用途移动作业机器人驱动控制网络系统中每一个设备都要有一个唯一的对 象字典，其中定义了各种对象的属性( 如功、发送方式等) 。在系统中共有5 个节点， 它们以 主从方式工作( 1 个主节点和4 个从节点) ， 主控制器 ( p c m 9 3 7 5+pcm 368 0) 对应 主节点， 4 个el mo h a n n oni ca电机控制器对应4 个从节点。为了 系统扩展的 方便， 设4 个从节点号的节点号分别为03、 04、 05、06 ( 左驱动电机驱动器对应节点号为03，右 驱动电 机驱动器对应节点号为04， 搭载平台俯仰控制电机驱动器对应节点号为05， 搭 载平台旋转控制电机驱动器对应节点号为0 6 ) ， 在各个节点对象字典中的对象i d 都采 用预定义连接集中规定的n位id，它由4 位功能代码和7 位节点号组成。 分析各节点在网络中的作用，从而可以 确定对象字典中主要需要包含的对象。 在系统中主节点要向 4 个从节点发送速度控制信息和力矩控制信息，因此要有4 个 丘一 d o 和4 个r 一 p d o 。 其中每个p d o 又由 tx( rx) p d 0p ara!n e te r 和t x ( rx) p d om app i n g 两部分组成: 向从节点发送的各种信息保存在制造商特定子协议区域中; 另外主节点 要完成各个从节点的管理工作，因此还要有nmt 管理模块等。elm o h a n n o ni ca驱动器 通信支持c a n o p en通信子协议 ( d s 一 3 01) 和驱动设备协议及运动控制命令 ( d s p 一 4 0 2 ) 。 因此， 在开发过程中， 根据应用的具体要求， 将控制器、电机及驱动设备、 编码器等 设备类型及其相应的功能在设备描述的协议中进行了描述，建立的od分为三个部分: 1 )通信协议对象 ( 如 d e x 0 x1 0 0 0 oxl aff ) 定义设备类型， 错误寄存器， 厂商指定状态寄存器， c o b 一 id 同步信息，通讯循 环周期， 同步c a n信息窗口，以 及设备名， 软硬件版本号等。 而且s d o的通讯参数 以 及p d o的 通讯和 映射参数也在该部分定义。其中 接收p d o通讯参数为ox1 4 00 0 xl 4 0 3 :p d o接收映射为 0 xl 6 0 0 0 xl 6 0 3 ;其中发送 p d o通讯参数为 0 xl 8 0() 0 xl 8 0 3 ;p d o接收映射为oxl a00 一oxl a03 。 2 )标准设备子协议对象( i n d e xox6 0 0 0 o x 6 5 f f ) 定义三类信息: 第一类是电机及驱动器的相关设备参数， 如类型， 厂商信息， 分 类号等， 如o x64 02为电 机类型对象， o x64 04为电 机制造商对象字典; 第二类是控制字 和状态字等， 如控制字为o x6o 40， 状态字为o x6o 41， 运行模式为o x60 60; 第三类是位 置、速度的相关参数，如电机位置、速度控制功能对象为0 x 6 0 62一o x 6 o f co 3 )厂商指定协议 对象( o x z o 0 0 oxz o f f ) 根据厂商需求， 灵活定义所使用的变量。 如o xzo 01为设置电机控制为p v t( 位置、 速度、时间) 运行模式， 0 x2o 02为设置电 机控制为pt ( 位置、时间) 运行模式等， 本 部分是e 山0 运动控制公司为h a rl n o ni ca数字伺服驱动器专门设置的控制对象。此部分 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 的使用使c an叩en协议既保证了设备的通用性，又保证了系统良 好的扩展性。 由于对象字典的各索引太多， 这里不再一一介绍， 在每个对象字典建立完成之后 要写入 e d s ( e l e c t r o n i cd a t as h e e t ) 来描述这 个设备的 对象字典。 3 . 3 . 2基于c an 适配卡此卜3 6 80 的p do 通讯 3 . 32 ， ic a n 适配卡p c m es 3 6 80的应用 p c m 一 3680 双c a n口 通讯适配卡上 采用的c a n控制器是p hilips 公司生产的 sja 1000芯片， 它是一种1 / 0设备基于内 存编址的微控制器， 对sja 1 0 00的对立操作 是通过像r a m一样的片内寄存器修正来实现的。 在c a n适配卡通信中， 要用到c a n 控制器中的很多寄存器，sja 1000 有关控制寄存器及其地址分配如表 3. 3 :21 所示。 c a n控制寄存器的内部寄存器对c p u来说是以外部寄存器的形式存在而作为片内内 存使用。 表3 3 . 2 . ls ja1 0 00内 部主要寄 存器 c a n地址段名称表示符号 0 控 制 模式寄存器 m 0d 1 命令寄存器 以 r 2状态寄存器s r 3中断寄存器i r 验收代码寄存器 c r4 验收屏蔽 胡 r5 6总线定时0b t r o 7总线定时 1b t r t 8 输出控制 戈 r 测试 tr9 l o 发 送 缓 冲 器 识别码 (10 一 3 )tr助sbu f f 盯1 l l 识别码 (2司) 盯r 和d 比 t r a n s buf f e rz 数据字节 1t r 助s b u f f e r 3 1 2 1 3数据字节2t r a n s b u f f e r 4 l 4数据字节 3t r a n sbu f f e r s 数据字节4t r 如s b u f f e r6 1 5 数据字节 5t r a n s buf f e r 7 l 6 1 7数据字节6t r a n ssu ffe r s 1 8数据字节7t ran s buf f e rg 硕士论文 多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 l 9数据字节8t ran s buf f e r l o 2 o 接 收 缓 冲 器 识别码 ( 1 0 一 3 ) r x b u f f e r l 识别码 ( 2 一) rtr 和d lc r x b u f f e r z2 1 2 2数据字节1r x bu f f e r 3 数据字节2 r x b u f f e r42 3 数据字节3 r x b u f f e r s2 4 数据字节4 r x b u f f e r 62 5 数据字节 5 r x b u f f e r 72 6 数据字节 6 r x b u f f e r s2 7 数据字节 7r x b u f f e r g2 8 数据字节8r x buf f e r 1 02 9 3 1时钟分频器c d r 研华公司为p c m 一 3 6 8 0 提供了 c a n 通信所需要的初始设置，如设备的初始化、设 备的复位、 c a n 通讯波特率的设定等库函数。 通过调用这些库函数就可以 完成对 p c m 一 3680的初始设置等操作。 以n 通信波特率是通过设函数c a n s e t b a u d ( w o r d p o r t 洲o r d b t r o ， wor d b t r i ) 设置 总线定时寄存器0( btr o) 和总线定时寄存器1( btri) 来实现的， c an通信波特率与 btro和btri的对应关系如表33 . 2 . 2 所示。系统选择波特率为i o o o k /s。 表3 . 32 . zc an总线通信波特率设置表 波特率 btro bl ，ri 1 2 5 k 0 x0 3o x i 公 2 5 0 ko x o i o x i c 5 0 0 k0 x 00 ox l c 8 0 0 ko xo l 0 x 0 7 1 0 0 0 k o x o i 0 盆 0 7 3 . 2 . 2 . 2对e l m o h a n n o n i c a 驱动器的p ix)通信 每个p d o 在od中用2 个对象描述: pdo 通信参数和即0 映射参数。 p do通信参数规定 p do使用的c o b 一 功和传输类型等;pdo 映射参数用来指明p oo的对象在od总的位置和大 小。 p d o 通信有同步通信模式、 远程请求通信模式和事件触发模式三种数据传输模式。 而机器人在运行中要根据监控指令和传感器信息实时改变自身的运行状态， 所以使用 实时性最好的事件触发模式对ei肋 h armon ic a 驱动器通信. pdo 通信对elm oh arm oni ca驱动器的 控制是通过pdo 报文映射参数子索引的内 容 来实现的， p oo报文映射参数子索引的内 容代表p oo报文中各字节的用途， 如表3 . 3 . 2 . 3 3 0 硕士论文 多 用途特殊移动作业机器人控制系统设计 所示的速度控制p d o 报文0 x 6 0 6 b 0 0 0 7 指对象字典索引0 x 6 0 6 b 和子索引0 x 0 0 ，占3 2 位的 数据内容，即控制电机转速数据。 表3 . 3 . 2 . 3p 加发送报文 通信参数索引 c ob一 i d映射参数索引映射参数子索引 0 x l 8()0o x l s l0 x 1 a000 x2 f200007( 电机起始控制:主索引0 x2 f 2 0 ， 子索引叭00，07表示32位数值) 0 x 1 8 0 10 x 1 8 20 x 1 a00ox印600002 ( 电 机运行模式控制:主索引 0 x 6 0 6 0 ， 子索引 0 x 0 0 ， 0 2 表示8 位数值) 0 x l 8 0 2 0 x l 8 30 x 1 a 0 00 x 6 0 6 b 0 0 0 7( 电 机运行速度控 制: 主索引 0 x 6 0 6 b ，子索引0 x 0 0 ，0 7 表示3 2 位数值) 0 兀 1 8 0 30 x 1 8 4o x l a 0 00 x 6 0 c 4 0 0 0 7( 电 机运行力矩控制:主索引 0 x 6 06b ，子索引0 x 0 0 ，0 7 表示3 2 位数值) 伺服电机控制模块的设计是基于c a n 叩e n 协议对象字典的模块化设计，它可以方 便地进行功能扩展， 只须修改对象字典中报文映射参数， 添加相应的功能模块即可实 现， 大大提高了系统效率， 节约了 有限的硬件资源， 为功能的扩展和用途的延伸提供 了方便。 3 . 3 . 3基于c an通信的驱动控制程序设计 系统设计的c a 到通信程序是wi刀 d o w s x p 下用c语言编写的。 pcm 一 3 6 90的 基本 的设置通过其自 身的库函数来完成。主控计算机向c a n总线的信息发送是先将要发 送的内 容 写入内 存发送缓冲区， 然 后再将内 存发送 缓冲中的 数 据写入sj a i 0 00的 发 送寄 存器中发送，实现对各电机的控制。 c a n通信程序流程图如图3 .3.3 . 1 所示。 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 开始 初始化p c m 3 6soca n 适配卡 设置通信波特率 是否要向从节点 发送信息? / / 将相应信息写入 发送缓冲区 将发送缓冲区数据 写入发送寄存器 发送各节点的 控制信息p d o 发送机器人运动 信息到监控系统 图 3. 3c a n通信程序流程图 卵-.3.l 硕士论文 多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 4多用途特殊移动作业机器人传感器采集系统设计 多用 途特殊移动作业机器人主要是通过p c m - 9 3 75上的串口 来采集h m r 3 0 00磁罗 盘、 c xti l t 02ec 倾角传感器和超声波传感器信息。 在程序的编写中使用了可重用的 串口 通信程序代码g s eri al类编写了以中断方式接收/ 发送的3 串口 传感器采集程序， 大大增加了信息的实时性，并且节省了系统资源提高了系统的效率。其中 pc卜9 3 75 的c omi 用来采集明r 3 0 0o倾角传感器信息、 c 伽2 用来采集c x tilt02ec倾角传感器 信息、 c om3用来采集超声波传感器信息。多用途特殊移动机器人传感器采集系统主 程序流程图如图4 . 1 所示。 图4 . 1传感器采集系统主程序流程图 硕士论文多用速特殊移动作业机器人控制系统设计 4 . i h m f 3 州 m i 数字磁罗盘信息 采 集 4 . 1 . i h m r 3 0 0 o 与单板计算机的连接 h m f 3 0 0 o 数字磁罗盘上自 带标准的9 针串口 插头，可以利用该插头和单板计算 机pcm 一 9 3 75的c 绷1 连接。 h m r 3 0 00数字磁罗盘针脚定义见表4 . 11 . 1 ， 而第1 、 4 、 6 和7 针在h m r30 0o数字罗盘中有特定的含义，平时应保持其开路 ( 维持逻辑高电 平)。h n if 日 0 0 0 和单板计算机c o mi 口的连线图如图4 . 1 . 1 . 1 所示。 表4 . 1 . 1 . i h m r 0 00管脚定义 名称 i ni0ut针脚说明 t 习 d i aout2r s 232 发送输出 瓜5 一 4 85发送一 接收信号 r 刘 d /bin3r sz咒发送输入瓜5 一 4 85发送一 接收信号 gndi n5电 源和信号公共地 6 一 1 5 vi n 9未稳压的电源输入 5 v l n8 经过稳压的电 源输入 单板计算机c o mi( c n 19)针脚h mr300o 针脚 稳压电源 图4 . 11 . i h m 咫0 00与单板计算机通信接口 电 路 4 . 1 . 2数字磁罗盘的 安装 1 . 位置: h m r 3 0 00 内部的磁传感器具有较大的磁场范围士l g(士1 00“ g)，而地 球最大的磁场为 o65g(65p g)，所以在大多数平台上的 磁传感器不会饱和。罗盘内 部的标定和补偿程序可以有效地补偿附加在地磁场上的静态磁场， 但不能对交流或直 流电流产生的变化的 磁场进行补偿。 因此， 明r 3 0 0o应尽可能安装在远离任何产生磁 场的地点和铁磁性的金属物体。 而移动机器人的材料中 包括有铁磁性的金属材料， 因 此该数字磁罗盘的安装必须远离能产生高强度变化磁场的电机以及电源， 并且安装后 需要对其进行标定。 2 . 水平: h m 卫 j o o o 带有电 子平衡架， 所以 不需要其完全水平，但是为了获得最 大的倾斜变化范围，当 移动机器人处于水平位置时，罗盘应安装成水平状态. 3 4 硕士论文多用途特殊移动作业机器人控制系统设计 3 . 方向: 罗盘的正向可以和平台的正向成任意夹角， 使用偏向角参数将罗盘的磁 方向转化为机器人的磁北方向或真值方向。 4 . 1 . 3数字磁罗盘的 标定 由 于移动机器人制造过程中使用了 铁磁性材料， 因此会产生地磁场外的 静态环境 磁场， 所以 磁罗盘在安装后必须标定， 来补偿地磁场外的其它磁场， 以获得精确的航 向。 如果数字磁罗盘改变了安装位置或机器人的磁特性发生了变化， 罗盘需要重新标 定，否则会产生航向 误差。 在标定过程中罗盘为补偿算法收集数据。 标定过程的目的是对于移动机器人系统 在尽可能多方向下的 磁场分量进行采样。 将移动机器人旋转3 60。或使其行驶一个圆 圈，可使罗盘对其所在的磁场环境进行采样。 h m r3000 的标定使用插入标定的方法。 这一方法使用迭代的过程来计算硬铁偏 置。 通常情况下2 75次迭代可以得出满意的结果， 标定的过程一直继蜂直到达到这一 迭代次数。 将hmr 3 0 0 0 置于标定模式下( 发送命令:# p 3 3 . 4 = 0 * 5 1 ) : 将机器人缓慢地转动两周，在机器人允许范围内尽可能多地变化俯仰和横滚角 度。 通常这一过程需要2 分钟。 通过命令: # i 2 6 c ? *3l 来检查迭代次数。 朋r 3 00 将回答: # n n n n * h h 信息， 其中n n n n为迭代次数。 如果该值小于2 7 5 ， 则继 续进行标定直到该值达到 2 75 为止。在这一过程的最后发出命令: # f z f e . 2 二 1 * 6 7 将其结果保存在e e p r 明 中。 发送命令: # f 3 3 . 4 二 1 * 5 0 ( c r ( i f ， 将罗盘返回操作模式。 4 . 1 . 4h m r 3 000 控