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机器人手爪数据采集、融合和传输系统的研制 摘要 几 了 确 保 机 器 人 操 作 的 、 全 ， 有 必 要 测 量 机 器 人 的 腕 力 。 然 森 薪 罢 豁 馨 井 蕊 霓 瓮 煞: 覆 露 擎 菜 望 霜 掣 霍 霆 薰 蒸 赞 案 箭 髻 嚣 些机器 文提出了一 为了得出 腕力和指力关系， 进行了标定实验。实 验数据被用来训练径向基函数 ( r b f ) 神 经网络， 得出的神经网络结构和参数用于数据融合。 数据fo i l. 合的结果与 实际的标 定值相符合，说明本文所提估计方法的有效性。 机器人为了灵巧地抓取物体， 在手爪上配w了多种传感器， 例如指力传感器、 触觉传感器和距离传感器。我们研制了一 套荃子d s p 的系统，以实现传感器数据 的采集、 融合和传输。 该系统硬件w 数据采集模块、 d s p 模块和c a n传输模块组 成。该系统软件包括监控程序、初始化模块、看门狗模块、数据融合模块、 c a n 通信模块、数字量采集模块、正交编码脉冲计数模块和a / d中 断服务程序。该系 统实时地采集和融合手爪各传感器的信息，得到手爪与工件的安全连接状态， 通 过c a n总线传输给主控计算机。 关 键 词 : 机 器 人 手 咔传 感 器 ; 数 据 融 合， sd . i tt .7g毖 d sp c a n 总 线 3 d e v e l o p m e n t o f d a t a a c q u i s i t i o n , f u s i o n a n d t r a n s m i s s i o n s y s t e m f o r r o b o t g r i p p e r s a bs t r ac t i n o r d e r t o e n s u r e t h e s a f e t y o f o p e r a t io n o f r o b o t s , it i s n e c e s s a r y t o d e te c t t h e w r is t f o r c e o f r o b o t s . s o m e r o b o t s , h o w e v e r , e .g ., a n e x t r a v e h ic u la r m o b i le r o b o t ( e mr ) c a n n o t i n s t a l l a wr i s t f o r c e s e n s o r b e c a u s e o f t h e l i mi t a t i o n o f i t s c o n d i t i o n . a n o v e l k i n d o f t e c h n i q u e t o e s t i m a t e t h e w r i s t f o r c e w i t h o u t a d d it i o n a l s e n s o r s i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r , w h i c h u s e s a d a t a f u s i o n m e t h o d a c c o r d i n g t o t h e o u t p u t v a r i a t i o n s o f f i n g e r f o r c e s e n s o r s i n a g r i p p e r . t h e c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s a r e c o n d u c t e d t o d e t e c t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e w r i s t f o r c e a n d f i n g e r f o r c e s . t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a r e u s e d t o t r a i n a r a d ia l b a s is f u n c t i o n ( r b f ) a rt if ic ia l n e u r a l n e t w o r k , a n d t h e c o n s t r u c t io n a n d p a r a m e t e r s o f t h e n e t w o r k a r e o b t a i n e d f o r d a t a f u s i o n . t h e r e s u l t s o f d a t a f u s i o n o f t h e w r i s t f o r c e a r e c o n s i s t e n t w it h t h e p r a c t i c a l c a l i b r a t i o n v a l u e s , w h i c h p r o v e s t h e e f f e c t iv e n e s s o f t h e w r i s t f o r c e e s t im a t i n g t e c h n iq u e p r o p o s e d i n t h is p a p e r . i n o r d e r t o g r a s p d e x t e r o u s l y o b j e c t s w it h t h e g r ip p e r , r o b o t s in s t a l l s e n s o r s in t h e ir g r i p p e r s , s u c h a s f in g e r f o r c e s e n s o r s , t a c t i le s e n s o r s a n d a d i s p la c e m e n t s e n s o r . a d s p b a s e d s y s t e m is d e v e l o p e d t o im p le m e n t d a ta a c q u is it io n , f u s io n a n d t r a n s m is s io n o f s e n s o r s . t h e h a r d w a r e o f t h i s s y s t e m c o n s i s t s o f a d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l e , a d s p m o d u l e a n d c a n t r a n s m i s s i o n m o d u l e . t h e s o ft w a r e i n c l u d e s a m o n i t o r p r o g r a m , a n i n i t i a l i z a t i o n m o d u l e , a w a t c h d o g m o d u l e , a d a t a f u s i o n m o d u l e , a c a n t r a n s m i s s i o n m o d u l e , a q u a d r a t u r e e n c o d e r p u l s e c o u n t m o d u le a n d a n a / d i n t e r r u p t s e r v ic e p r o g r a m . t h e s y s t e m c o l le c t s a n d f u s e s d a t a o f s e n s o r s i n r e a l t im e , o b t a i n s t h e s t a t u s o f g r a s p i n g o b j e c t s w it h t h e g r i p p e r , a n d s e n d s t h i s in f o r m a t io n t o a h o s t p c t h r o u g h c a n b u s k e y wo r d s : r o b o t g r ip p e r , s e n s o r , d a ta f u s io n , a rt i fi c ia l n e u r a l n e t w o r k , d ig it a l s i g n a l p r o c e s s o r , c a n b u s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已 经发表或撰写过的研究 成果， 也不包含为获得 合肥黑业大学 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示致谢。 学 位 论 文 作 者 ,1 ,% : 4 a 烈 签 字 日 期 : 1 1,103 年 r p . fl 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解 洲 口 比色有关保留、使用学位论文的规 定， 有权保留 并向国 家有关部门 或 机构递交论文的复印 件和磁盘， 允许论文被 查阅 和借阅. 本人授权 出江业左乞可以 将学位论文的 全部或部分内 容编 入 有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印 或扫描等复 制手段保存、 汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 私 签 字 日 期 : h 年 犷 月 7 o 日 导师签 签 字日 期z 0d 3 年夕月 乡 0 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 致谢 感谢我的导师徐科军教授在研究生三年内对我的指导、关心和帮助，感谢徐 老师给我提供丰富的实践机会和良 好的实验条件。在徐老师的悉心指导下我顺利 地完成了研究生地课题研究和论文撰写。徐老师严谨的治学态度、以身作则的工 作作风、虚怀若谷的学者风范是我终生的榜样。 感谢我的师兄童利标博士给我的课题提供了 很好的研究基础，与他在一起进 行了安全连接标定实验、 六维力标定实验， 使我从中收到了很多的启发和灵感。 中科院合肥智能机械研究所的梅涛研究员和孙怡宁研究员，国家高技术航天 领域空间机器人一 程研究中心的梁斌主任和李成博十在我的课题研究期间都给予 了关心和支持，还对课题的研究提供了很好的意见，在此表示感谢。 中科院合肥智能机械研究所的研究生刘扬、博十生张涛、周旭和我在课题研 究中进行合作，给我提供了很大的帮助，促进了 课题的进展。 感谢本实验室的师如黄云志，师兄倪伟在这三年中给我各方面的关心、帮 助 和照顾。还有， 感谢博十生盛磊， 研究生李永三、贾林、 徐文福、王肖 芬、 吴婷、 袁波，我们一起讨论、学习，度过了快乐的时光。 最后感谢我的父母和家人， 他们的理解和支持使我能安心地学习，顺利地完 成研究生期间的学业! 1 1 目的和意义 第一章综述 空间机器人在航空航天领域有着重要的应用。空问机器人在太空作业的时候， 有一项很重要的任务就是抓住浮游物体，这主要靠多传感器手爪来完成。空间机 器人多传感器手爪的研究已经成为机器人领域中一个重要的研究主题【o5 1 。 空间机器人手爪上安装有多种传感器，例如：力传感器、触觉传感器、接近 觉传感器和位移传感器等，这些传感器组成了机器人手爪的感觉系统【6 1 。手爪在 进行各种操作时，手爪腕部所受的力是有一定限制的，若此力过大，就可能导致手 爪根部撕裂，从而造成严重的事故。因此，测量腕部所受的力就显得非常的重要。 理论上讲，机器人腕力传感器能精确地测出腕部所受的力，但是，目前因为安装 空间的限制，不能在空问机器人上直接安装腕力传感器，故难以监测腕部受力的 大小。我们提出利用手爪指力传感器的信息，通过多传感器数据融合的方法来估 计出手爪腕部所受的多维力。由于机器人手爪系统是一不确定系统，很难得出解 析表达式。而传统上对不同传感器采用单独孤立的处理方式存在这样的两个缺陷： 一是割断了信息之间的内在联系，丢失了信息有机组合后蕴含的进一步信息；二 是单凭某个传感器的信息做判断，得出的决簸可能是不充分的或不全面的。而在 同一环境下，多个传感器感知的信息中存在着内在的联系1 7 , 8 , 9 l 。因此采用多传感 器数据融合方法，合理选择、组织、分配、协调系统中的手指多传感器资源，并 对它们输出的信息进行融合处理，就可以得到腕部受力的情况，以保证空间机器 人操作的安全。 多传感器数据融合技术的研究和应用越来越深入和广泛。其中，目前正处于 研究和发展阶段的智能机器人就是多传感器数据融合技术一个重要应用领域。利 用多传感器数据融合技术将多个传感器探测到的信息综合利用，使机器人更准确、 全面、低成本的获取所处环境的信息。多传感器数据融合也是人类或其他逻辑系 统中常见的基本功能。多传感器数据融合的基本原理是充分利用多传感器资源， 采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定准则下加以自动分析、 综合、支配和使用，获得对被观测对象的一致性解释与描述，以完成所需的决策 和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能【1 o 1 , 1 2 1 o 数据融合的方法有很多种，由于神经网络具有很强的容错性及其自学习、自 组织和适应能力，还有神经网络具有独特的非线性映射能力和独特的联想、记忆、 储存能力，我们采用神经网络来融合 i3 “j 。径向基函数( r b f ) 网络有很好的逼 近能力、分类能力和学习速度，所以选用径向基网络来融合多维腕力。 为了满足“舱外移动机器人地面实验系统”的总体要求，中科院合肥智能机 械研究所重新研制了多传感器手爪。我们研制一套多传感器数据采集、融合和传 输系统。该套系统能实时地采集和融合多传感器信息，得出手爪与工件的安全连 接状态，然后把这一状态传输给主控计算机。 空间机器人由于节点多、距离长，要求选择一种可靠性好、通信速率高的通 信方式以实现机器人各关节模块与上位机的实时通信，达到实时监测、实时控制 的目的。并且支持通过添加或拆除模块的操作来完成系统重构，无需蒋次整体设 计。基于以上目的，就要求各模块之间能够实现双向多节点的数字通信，而且性 能可靠。而c a n ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 总线就是一种能满足上述要求的通信方 式。我们新设计的数据采集、融合和传输系统就是采用c a n 总线来完成与上位机 或其它节点的数据传输。 对多传感器信息采集、融合和传输子系统的改进，我们还希望系统体积更小， 性能更好，运行更可靠。由此，我们选用t i 公司的d s p ( 数字信号处理器) 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来作为系统的核心c p u ，该芯片内部集成有很多的外设模块， 如：a d c 转换器，c a n 控制器，两个事件管理器，数据输入输出模块等【1 5 】。这 些功能完全能满足我们的需求，几乎不用扩展其它的外设模块。而且d s p 芯片的 体积很小，这可以大大缩小系统的体积。由于上述优点，我们研制了基于d s p 的 数据采集、融合和传输系统。 此外，d s p 编程方便，既可以用自带的汇编语言，也可以用标准c 语言。等 到程序调试全部完成后，就可以把程序烧写到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内的f l a s h 内 存中去，然后只要给系统上电就会自动运行烧写进去的程序。 1 2 国内外研究现状1 1 6 , d l 近年来，机器人多传感器手爪技术已经成为当前国际上研究的热点之一，其 中最有代表性的是德国的舱内机器人r o t e x 的多传感器手爪和日本e t s v i i 中 精密操作机器人的三指多传感器灵巧手。国内有关高校和科研院所也开展了机器 人手爪的研究，如中科院合肥智能机械研究所、北京航空航天大学、哈尔滨工业 大学等。 r o t e x 计划中多传感器智能手爪的重要特征是多传感器集成，其手爪上安装 有1 5 个传感器，它是一个高度集成化、智能化的传感器系统可以说是目前世界 上最复杂的一个手爪，如图1 1 所示。该手爪安装在一个工作空间为l 立方米的六 自由度机器人上，全部实验在航天飞机的空间实验舱进行。图1 - 2 为r o t e x 机器 人及实验配置。 图1 - 1r o t e x 手爪 图卜2r o t e x 机器人及实验配置 为执行更为很复杂的操作任务，空间机器人需要多指机器人灵巧手。在 r o t e x 之后，德国研制了d l r 三指灵巧手，现已研制成功了d l r 四指灵巧手， 如图3 所示，它具有十二个自由度。每指有四个关节，具有三个自由度，具有2 5 个传感器。每个关节装有一个关节角度传感器和一个关节力矩传感器。四个触觉 传感器探测外部受力的大小。手掌中的微相机系统提供了光学位置传感器，同时， 2 还有一些温度传感器和每个马达的转予位嚣传感器等1 8 1 。 幽1 3d l r 四指灵巧手 日本通产省及其电子技术试验室( m i t i e r l ) 研制刀：发了一种精巧的遥机器人 系统，带有一只三指多传感器手，称为“先进机器人手”( a r h ：a d v a n c e dr o b o t i c h a n d ) 。日本学者认为多自由度多指手爪缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在 着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在空间手爪必须可靠地抓取和作业，不能出 差错，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制多自由度多指手爪。 从这点出发，研制了一种使用简单、可靠的机械机构称之为半灵活性 ( s e m i d e x t e r o u s ) 三指手爪【i ，如图1 - 4 所示。 在a r h 的灵巧手中，安装的传感器有：一台手眼摄像机，三个接近觉传感 器，一对夹持力传感器，一个柔顺力力矩传感器，一个六自由度力力矩传感器。 柔顺装置 图1 - 4 e t s v i i 多传感器智能手爪 虽然国外在机器手的研制中做了大量的工作，但是，在我们所查到的资料中， 均未见到德国和日本在其手爪上进行多传感器数掘融合的具体方案和方法。美国 的l u o 和l i n 在由p u m a 5 6 0 机器手臂控制的央持型手爪的基础上提出了视觉、 艮在手上的视觉、接近觉、触觉、位罱、力力矩、滑觉等多传感器信息融合方 法。多传感器信息的融合过程( 最佳估计) 分为三步：首先采集多传感器的原始 数据，并用f i s h e r 模型进行局部估计：第二，对统一格式的传感器数掘进行比较， 发现可能存在误差的传感器，进行置信距离测试，从而建立距离矩阵和相关矩阵， 得到最接近最一致的传感器数据，并用图形表示；第三，运媚d l 叶斯模型进行全 局估计( 最佳估计) ，融合多传感器数据。同时对其它不确定的传感器数据进行误 差检测，修正传感器的误差1 2 0 , 2 1 。 国内有关高校和科研院所，如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中科院 合肥智能机械研究所和杭州电子工业学院等开展了机器人手爪的研究，取得重要 进展【2 2 - 2 6 i 。中科院合肥智能机械研究所解传芬硕士在研制多传感器手爪过程中， 对多传感器数据融合做了较多的研究工作，主要是如下三个方面：f 1 ) 由于研制的 接近觉传感器受温度和被测物体反射特性的影响较大，采用b p 网络对接近觉传感 器和温度传感器的信息进行融合，提高了测量精度；f 2 ) 采用b p 网络对8 个指力 传感器的信息进行融合，得到握紧力的大小：( 3 ) 采用b p 网络对握紧力、接近觉 和距离信息进行融合，得到手爪与工件的安全连接状态。 本课题组童利标博士在解传芬硕士的基础上进一步做了多传感器融合工作： ( 1 ) 对多种传感器的输出进行数据融合得出手爪与工件的安全连接状态；( 2 ) 对8 个指力传感器数据进行融合，得出手爪腕部所受的多维力1 2 ”。但是，b p 网络学习 速度慢，可能陷入局部极小，有时融合结果还不尽如人意。 中科院合肥智能机械研究所研制了多传感器手爪的数据采集、融合和传输系 统。该系统是以p c 机为核心，手爪上力觉、接近觉、温度和距离传感器的输出信 号经过调理，送到电压电流变换模块，转换成电流信号，再经过电缆送至数据采 集卡，该卡直接插在p c 机的i s a 总线槽中。在p c 机中对采集来的传感器信号进 行数据融合，数据融合的结果通过局域网传输给主控计算机。该系统的示意罔如 图1 5 所示。 ! p c y l 江卜，电瓦t l 萋 i j i 电压l l 土流转换模块i 。篷 电缆 电缆 器 幽1 5 多传感器手爪数据采集系统示意剀 1 3 课题来源和主要内容 课题来源于航天8 6 3 项目“基于d s p 的空间机器人总线控制”( 编号：8 6 3 - 7 0 4 ) 的予项目“空间机器人一体化关节c a n 总线通讯系统研制”以及航天8 6 3 项目“舱 外移动机器人手眼系统”。 本课题的主要内容： ( 1 ) 为了监测手爪腕部的受力情况，避免意外事故的发生，采用径向基函数 ( r b f ) 神经网络，根据手爪上的8 个指力传感器数据融合出手爪腕部所受的多 维力信息，给整个机器人的安全操作提供决策的依据，增强机器人的安全性和可 靠性。 ( 2 ) 研制一套基于d s p 的数掘采集、融合平传输的系统，i ：发相应的软件。 得到最接近最一致的传感器数据，并用图形表示;第三， 运用贝 叶斯模型进行全 局估计 ( 最佳估计) ， 融合多传感器数据。同时对其它不确定的传感器数据进行误 差 检 测 ， 修 正 传 感 器 的 误 差 2 0,2 11 国内有关高校和科研院所，如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中科院 合肥智能机械研究所和杭州电子工业学院等开展了机器人手爪的研究，取得重要 进展2 2 -2 6 1 .中科院合肥智能机械研究所解传芬硕士在研制多传感器手爪过程中， 对多传感器数据融合做了 较多的研究工作，主要是如下三 个方而: ( i ) 由 于研制的 接近觉传感器受温度和被测物体反射特性的影响较大， 采用b p网络对接近觉传感 器和温度传感器的 信息进行融合， 提高了 测量精度; ( 2 ) 采用b p网 络对8 个指力 传感器的 信息 进 行融合， 得到 握紧力的大小: ( 3 ) 采用b p网 络对握紧力、 接 近觉 和距离信息进行融合，得到手爪与工件的安全连接状态。 本课题组童利标博士在解传芬硕士的基础上进一步做了多传感器融合工作: ( 1 ) 对多种传感器的输出 进行数据融合得出手爪与工件的安全连接状态;( 2 ) 对 8 个指力 传感器数 据进行融合， 得出 手 爪腕部 所受的多 维力 2 7 1 。 但是， b p 网 络学习 速度慢，可能陷入局部极小，有时融合结果还不尽如人意。 中科院合肥智能机械研究所研制了多传感器手爪的数据采集、融合和传输系 统。 该系统是以p c机为核心， 手爪上力觉、 接近觉、 温度和距离传感器的输出信 号经过调理，送到电压/ 电流变换模块，转换成电流信号，再经过电缆送至数据采 集卡， 该卡直接插在p c机的i s a总线槽中。 在p c机中对采集来的传感器信号进 行数据融合，数据融合的结果通过局域网 传输给主控计算机。 该系统的示意图如 图 1 一 5 所示。 位移传感器脉冲信弓 机器人多传感器手爪 缆 电 肠一叹! j 电 压 / 电 流 转 换 。 电缆 机数据采集卜 pc|一一 图1 一 5 多传感器手爪数据采集系统示意图 1 . 3 课题来源和主要内容 课 题来源于 航天8 6 3 项目 “ 基 于d s p 的 空间 机器 人总线 控制” ( 编号: 8 6 3 - 7 0 4 ) 的子项目 “ 空间机器人一体化关节c a n总线通讯系统研制” 以 及航天8 6 3 项目 “ 舱 外移动机器人手眼系统” 。 本课题的主要内容: ( 1 ) 为了监测手爪腕部的受力情况， 避免意外事故的发生， 采用径向 基函数 ( r b f ) 神经网络，根据手爪上的 8个指力传感器数据融合出手爪腕部所受的多 维力信息，给整个机器人的安全操作提供决策的依据， 增强机器人的安全性和可 靠性。 ( 2 ) 研制一套基于d s p的数据采集、融合和传输的系统，开发相应的软件。 该系统能实时采集手爪上各种传感器的数据， 然后用r b f 神经网 络实时融合出 手 爪与工件的连接状态， 并将这一信息通过c a n总线传送给主控计算机。 该套系统 体积小，性能可靠。 第二章基于数据融合的多维腕力估计 在空间机器人行走和操作过程中，监测手爪腕部受力的+ 陆况，对机器人的操 作安全性和可靠性、避免意外情况的发生具宵承要的意义。山于舱外移动机器人 ( e m r ) 手爪腕部空间限制及空间机器人对霞量和体积的特定要求，日前还无 法在手爪上直接安装六维腕力传感器。为解决这一难题，我们利用手爪上8 个指 力传感器输出的变化量来估计手爪腕部所受的多维力。为此，设i ：卜了实验方案， 进行了大量的实验。童利标博士采用b p 神经刚络对e m r 手爪上的指力传感器 进行数据融合，得出腕部所受的多维力信息，融合结果比较满意。与b p 神经刚 络相比，径向基函数( r b f ) 神经网络在逼近能力、分类能力和学习速度等方i i | i 有优势。我们采用r b f 神经刚络重新融合实验数据。融合出的多维腕力为整个 机器人的安全操作提供了决策的依据，增强了e m r 机器人的安全性和可靠性。 2 1 实验 2 1 1 手爪及实验装置 实验的对象是中科院合肥智能机械研究所研制的舱外行走机器人( e m r ) 手爪，它由夹持机构和感觉机构两大部分组成。夹持机构是实现手爪开闭功能的 单自由度执行机构。感觉系统以感知与手爪有关的各种外界和内部信息为口的， 以手爪内部的力觉、接近觉、触觉、滑觉和距离传感器为基础，同时结合机器人 状态信息，为机器人准确可靠地移动和抓取提供反馈信息。e m r 手爪在结构上 主要由驱动结构、手指结构和外部电气接口组成。驱动结构包括微型伺服电机和 距离传感器两部分。手指结构的主要组成是v 型槽、力传感器、接近觉传感器 和触觉传感器。外部电气接口包括处理电路、电气接口和腕部接口法兰。手爪的 具体形状如图2 1 所示( 该照片由中科院合肥智能机械母 究所提供) 。 图2 1e m r 机器人下爪结构图 为了进行指力传感器输出与手爪腕力之问的标定实验，中科院合肥智能机械 研究所对六维腕力传感器的标定台进行了改造，研制出了多维力融合的实验装 置。它是一方形的实验平台，正中间同定有一个1 _ 宁梁，四周符同定有滑轮，如 图2 - 2 所示。 幽2 - 2e m r 】二爪标定艾验装置图 整个实验系统由以下几部分组成：e m r 手爪、专门设计的法兰接口( 用于加 载多维腕力) 、改造过的六维腕力传感器标定台、多传感器数据采集系统、电机 控制模块、砝码以及数据采集软件等。其中，数据采集系统包括一台p c 机、插 在p c 机中的数据采集卡、电压电流的转换模块和相应的软件。该系统的示意图 如图2 3 所示。 2 1 2 实验过程 i 譬l 。缆i 电慷，电立转换模块 a d c模块的排序器有两种工作模式:连续的自 动排序模式，启动/ 停止模式。 我们的系统要求a / d转换定时进行， 所以 采用启动/ 停止模式，设置a d c控制寄 存 器1 ( a d c t r l i ) 的 位c o n t r u n为。 。 在 这种 模式 下， 当 一 个 转换 序列 完 成之 后，排序器指针指向当前的通道。所以，需要在中断服务 程序中用a d c t r l 2寄 存器中 的r s t s e q n 将排 序 器手 动复 位。 复 位之后， 在下 一 个a i d 启 动 信号 到 来 时， s e q c n t r 装入m a x c o n v n 中的原始值， 且s e q i 指针指a c o n v o o . 宁 心b爪 o l 仁 盆 初从 图3 - 2 双排序器模式下白 动排序a d c的结构框图 3 .3 . 2 数字1 / 0模块 7 个触觉传感器的输出为数字量信号， 经过调理电路后， 输出高电平为3 . 3 v , 输出低电平为o v , t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a有4 0 个通用、 双i 句 的数字1 / o ( g p i o ) 引脚， 其中绝大多数都是基本功能和一般i / 0复用引脚。数字i / 0端口 模块可通过9 个 1 6 位控制寄存器来控制专用i / o和复用1 / 0引脚的功能， 这些寄存器可分为两类: i / 0 f 1 复用控制寄存器 ( m c r x ):用来控制选择i / 0 q 作为基本功能方 式或一般1 / 0引脚方式; 数据和方向控制寄存器 ( p x d a t d i r ):当i / 0口用作一般1 1 0引脚时， 用数据和方向 控制寄存器来控制1 / 0引脚的数据方向和数据， 这些寄存器与i / 0引 脚相对应。 图3 - 3 为1 / o j 裔 口复用引脚配置简图， 从图中可以看出一些寄存器的配置与1 / 0 引脚之间的关系。 图3 - 3 复用引脚配置图 7个触觉传感器的输出经过调理电路后直接接到 i o p f o - i o p f 6 , 然后在寄存 器m c r c中把i o p f o - i o p f 6 配置为一般i / 0口，在寄存器 p f d a t d i r中把这7 位 u o方向配置为输入。 3 .3 .3 正交编码脉冲电路 电 机转动带动手爪的三指做开合运动，电机转动时，电机轴上的光电 编码器 产生两路频率相等、 相位相差9 0 度的脉冲q e p i 和q e p 2 ,即 正交编码脉冲。 每个 e v模块都有一个正交编码脉冲电 路。正交编码脉冲电 路可用于连接光 电 编码器以获得旋转机械的 位置和速率等信息。正交编码脉冲电路的时基可由 通 用定时器2( 或通用定时器4 , e v b模块) 提供，通用定时器必须设置成定向增/ 减计数模式， 并以正 交编码脉冲电路作为时钟源。图3 - 4 为e v a模块中正交编码 脉冲电路的结构框图。 c ap i i oe pi cap 2 j of p2 c a p c o 1 3 , 1 4 1 图3 - 4 e v a模块中的正交编码脉冲电路结构框图 每个e v 模块中 的 正交 编 码脉冲电 路的 方向 检测 逻辑 取决 于q e p 1 和q e p 2 这 两个序列中的哪个是先导序列。 接着它就产生方向 信号作为通用定时器2 或4 ( 对 于e v b模块)的计 数方向 输入。 如果c a p i / q e p i 输入是先导 序列， 则通用定时 器进行增计数; 如果c a p 2 / q e p 2 输入是先导 序列， 则 通用定时器进行 减计 数。 由于两列正交输入脉冲的两个边沿都被正交编码脉冲电路计 数，因此，产生 的时钟频率是每个输入序列的4 倍， 并把这个时钟作为通用定时器2的输入时钟。 正交编码脉冲、增碱计数方向以 及时钟的波形如图3 - 5 所示。 qep1 qep2 qu a dr at u r e cl k 图3 - 5正交编码脉冲和编码定时器时钟及方向 通用定时器 2总是从计数器中的当前值开始计数，因此，可以在使能正交编 码脉冲电路前将所需的值装载到所选通用定时器的计数器中。 3 .4 数据传输 3 .4 . 1 c a n简介13 0 1 c a n ( c o n t r o l le r a r e a n e t w o r k . 控制器局域网) 是一种主要用于各种设备监 控及控制的网络。c a n最初是山b o s c h 公司为汽车的监控、控制系统而设计的。 由于c a n具有独特的设计思想，良 好的功能特性和极高的可靠性， 现场抗干扰能 力强。具体来说，c a n具有如下特点: 结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有错误检测和管理模块。 通信方式灵活。 可以多主方式工作， 网络上任意一个节点均可以 在任意时 刻主动地向网络上的其它节点发送消息，而不分主从。 可以点对点、点对多点及全局广播方式发送和接收数据。 网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 c a n通讯格式采用短帧格式，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， 8 个字节也不会占用总 线时间过长，从而保证了通讯的实时性。 采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线上发送数据时， 优先 级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据， 这大大地节省了总线仲裁冲突时间， 在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫 痪。 直接通讯距离最大可达 1 o k m( 速率5 k b / s 以 下) ， 最高通讯速率可达 1 mb / s ( 此时距离最大为4 0 m)。节点数可达 1 1 0 个，通信介质可以是双绞线、同轴电 缆或光导纤维。 c a n总线通讯接口中集成了c a 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。 c a n总线采用c r c检验并可提供相应的错误处理功能， 保证了 数据通信 的可靠性。 由于c a n总线具有以上的一些特点， 为工业控制系统中高可靠性的数据传送 提供了一种新的解决方案。 c a n总线己 经成为最有发展前途的现场总线之一。 空 间机器人由 于节点多、 距离长， 要求选择一种可靠性好、 通信速率高的通信方式， 以实现机器人各关节模块与上位机的实时通信， 达到实时监测、 实时控制的目 的; 并且支持通过添加或拆除模块的操作来完成系统重构，无需再次整体设计。通过 比较，选用c a n总线来完成数据传输任务。 3 . 4 .2 c a n控制器模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a片内 集成有c a n控制器模块，有如下 特点: 完全支持c a n 2 .o b协议， 支持标准和扩展标识符， 支持数据帧和远程帧。 有 6 个邮箱供数据传输，其数据长度为 0 -8 个字节。其中2 个接收邮箱 ( m b o x o , 1 ) . 2 个发送邮 箱 ( m b o x 4 , 5 ) ， 还有2 个可配置为接收或发送的邮 箱 ( mb o x 2 , 3 )。 对接收邮箱0 , i 和2 , 3 有局域接收屏蔽寄存器 ( l a mn ); 两个可编程的位定时器， 用于配置c a n通信的波特率。 中断配置可编程，可编程的c a n总线唤醒功能，自 动回复远程请求。 当发送时出 现错误或仲裁时丢失数据， c a n控制器有自 动重发送功能。 总线错误诊断功能，还有自测试模式。 c a n控制器的结构框图如图3 - 6 所示， 它是一个 1 6 位的外设， 对它的访问分 成控制/ 状态寄存器的访问和邮箱的r a m访问。 图3 - 6 c a n控制器结构框图 c a n 控制器还必须通过c a n 驱动芯片才能与其它的c a n 控制器进行通信， c a n 驱动芯片又叫c a n 控制器接口。 我们选用p h i l i p 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 。 此器件 对总线提供差动发送能力，对c a n控制器提供差动接收能力。8 2 c 2 5 0 允许选择 三种不同的工作模式: 高速、 待机、 斜率控制。 通过把管脚8接地可选择高速模 式。在高速工作模式下，发送器输出级晶体管将以尽可能快的速度打开、关闭。 在这种模式下，不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率。建议 使用屏蔽电 缆以避免射频干扰r f i问题。对于斜率控制模式，上升斜率和下降斜率可通过由 管脚8接地的连接电阻进行控制。 斜率正比于管脚8 的电流输出。 如果高电平被接 至管脚8 ，则电路进入低电流待机模式， 在这种模式下， 发送器被关闭， 而接收器 转至 低电 流3 1 1 。 我 们可 采 用高 速工作 模式来 使 c a n 以 最快的 速 度 进行通讯。 3 . 4 .3 p c l - 8 4 1 卡13 2 1 为了与我们的系统进行通讯，在主控计 算机插入研华公司的c a n 微机通信卡 p c l - 8 4 1 卡。p c l - 8 4 1是一款特殊用途的通信卡，它能够提供 p c与控制器局域 网( c a n ) 的 连 接。 利用其内 置的c a n控制 器， p c l - 8 4 1 提 供总线 仲裁 和错误 检测功能，并且在检测到错误时能自 动重发数据。这显著地降低了数据丢失的机 会，确保了系统的可靠性。卡上的 c a n控制器可设置在内存中的不同位置。您 可以同时独立地操作两个 c a n控制器。 p c l - 8 4 1 可以以 高 达 1 m b p s 的波特率 工作， 可以安装在 p c的扩展i s a 槽中。 p c l - 8 4 1 通过直接内存映射直接访问 c a n 控制器。 可以分配给 p c l - 8 4 1一个内存地址， 这是最简单的一种将板卡与 p c集 成在一起的方法，而且山于板卡被 p c看成是标准的 r a m,因此能提供最快的 访问。 p c l - 8 4 1的硬件框图如图 3 - 7所示。硬件主要有两部分组成:c a n控制器 s j a 1 0 0 0和c a n收发器p c a 8 2 c 2 5 0 。为了提高抗丁 扰能力， 在c a n控制器和 c a n收发器之间加入了光电隔离电路，此外还有中断逻辑电路和地址译码电路、 地址/ 数据复用控制与驱动电路等。 总线 图3 - 7 p c l - 8 4 1 硬件框图 在我们的系统中， d s p 的c a n 模块管脚c a n r x . c a n t x 经隔离芯片和8 2 c 2 5 0 驱动器后， 与p c l - 8 4 1 相连。 这样， 通过c a n 总线实现了 d s p 系统与主控计 算机之 间的数据传输。 第四章 多传感器数据采集、融合和传输系统的软件设计 本章介绍基于d s p 的多传感器数据采集、融合和传输系统的软件设计。软件 设计采用模块化设计方法，主要用 c语言编程实现。系统软件包括监控程序、初 始化模块、看门狗模块、数据融合模块、c a n通信模块、数字量采集模块、正交 编码脉冲计数模块和a / d中断服务程序。 4 . 1系统软件框图 系统软件的总框图如图4 -1 所示。 初始c a n 通信 图4 一 软件总框图 4 . 1 . 1 监控程序 监控程序就是主程序，它主要完成对各个模块: a d c模块、数字1 / o模块、 定时器模块、 c a n模块的 初始化。 等初始化完成后就是空操作， 等待中断的到来。 中断是有优先级的， t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a内 核提供一个不可屏蔽的中断n mi 和 6 个按优先级获得服务的可屏蔽中断i n t i 至 i n t 6 。这 6 个中断中的每一个都可 被很多外设中断请求共享。 d s p外设中断扩展模块如图4 - 2 所示。外设中断的优 先级也如图所示从上到下优先级逐渐降低。 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a通过中断请求系统中 的1 个两路中断来扩展系统可响应的中断个数， 所以， d s p 的中断请求位 答硬件 逻辑和中断服务程序软件都是两级的层次。 测量手爪的开合距离，需要一直对光电 码盘输出的正交编码脉冲信号进行计 数。 如果某些时刻漏掉了计数， 就会导致测量误差。 手爪上的电 机在+ 1 8 v直流电 压的驱动电压下转动，光电编码器产生的脉冲频率约为 1 5 0 0 0 h z ，而正交编码脉 冲电路的计数频率又是输入频率的4 倍，即约为6 0 0 0 0 h z 。在这种情况下， 直接 读取正交编码脉冲电路的计数值t 2 c n t来表达电机开合距离不可行的，因为 1 6 位的计数寄存器t 2 c n t可能会在手爪开合的过程中溢出多次。 为此， 我们采用定 时器 2的上溢、下溢中断来处理溢出问题。定时器2的上、下溢中断应该比数据 融合和传输具有更高的优先级， 所以， 我们采用d s p 的定时器4 来定时融合和传 输模块。 主控计算机需要我们系统3 0 m s 左右与其通讯一次， 设置定时器4 的周期 为3 0 m s 。在整个程序中，定时器4 相当于起到监控的作用。在 3 0 1 n s 内先完成对 三种传感器信号的采集，然后对所有传感器信息进行融合，得出手爪的安全连接 状态，将此结果传输给主控计算机。 p u p i n r a p d h 1 n i ii a i x : 1 n r x i n t1 xi n 1 2 s p i i n t r x i n 下 t x i nr c a n m d i n t c a n c r i n t 盯nrntntnt盯附nt附nint附阶nt 曰陀四if比 mmmtt ccc c a p i i n r c a 1 2 i n r c a ! 3 i n t c a p i i n t c a p .5 1 n t c a p 6i n t 5 1 ， 吸 互 盯 r xi n t i x 1 n t c a n m d i n t c a n i ti n r a d c i n r x i n t i xi n t 2 d a tah a sa d d rb u s 图4 - 2 外设中断扩展模块图 4 . 1 .2 初始化模块 初始化模块如图4