可重构机器人系统的分布式控制系统设计 .pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 中国科技论文在线可重构机器人系统的分布式控制系统设计# http://www.paper.edu.cn 刘玉斌，陈杰，王卫忠* （哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨 150080）摘要：可重构机器人的控制系统采用分布式控制系统，整个控制系统由三个子控制层组成。第一层为路径规划控制层，实现作业过程规划和路径指定；第二层为轨迹规划层，规划各关节的时基关节变量，产生各关节的运动指令，分发给各关节控制器；第三层为关节控制层，接收上位机的指令，完成各关节的运动控制。设计了各关节的控制器及驱动器硬件电路，各关节采用基于 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现了带速度环和位置环的关节位置控制。关键词：可重构机器人系统；分布式控制系统；关节位置控制中图分类号：TP242 Distributed control system for reconfigurable modular robot system LIU Yubin, CHEN Jie, WANG Weizhong (State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin institute of technology, Harbin 150080) Abstract: Distributed control system (DCS) is used in RMRS, because the joints are smart and the DOFs and configuration of RMRS are variable. The whole control system includes three hierarchies, the first hierarchy is path planning, which implements process planning and path assignments; the second one is trajectory planning, generating the sequence of time-based joint variables, and distributing the motion instructions to all joint controllers; the third one is joint controlling, which receives the commands form PC and finishes joint motion control. The control circuit and driver circuit are designed, and the position control software is developed based on PID controller with anti-windup correction. Key words: reconfigurable modular robot system; distributed control system; joint position control 0 引言可重构机器人模块的多样组合为其满足实际工作需要提供了便利，但也对搭建的机器人构形的控制带来了不小的问题。目前可以采用的方法有两类：一是在集中控制的情况下采用自动产生与结构相适应的控制软件或者是采用可重构的控制软件[1-2]，这种方法的特点就是通过重构或自动产生与机械结构相关的控制系统软件部分。另一类是采用分布式控制方法，每个主动模块都具有很强的独立性和自主性，当这些模块根据任务组成一个系统时，模块之间是通过通信的方式来自动建立一个控制系统而控制系统软件不需要作任何修改[3-4]。当机器人执行任务时，各模块之间采用协商的方式来共同完成所要求的任务。由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性等，控制系统采用分布式控制系统。整个控制系统由三个子控制层组成。第一层为路径规划控制层，实现作业过程规划和指定路径；第二层为轨迹规划层，规划各关节的时基关节变量，产生各关节的运动指令；第三层为关节控制层，接收上位机的指令，完成各关节的运动控制。各关节控制器进行关节的运动控制，节点管理并向上位机发送关节运行状态信息。基金项目：国家自然科学基金(60705027)，高等学校博士学科点专项科研基金（20070213087）作者简介：刘玉斌（1976-），男，讲师，主要研究方向：机器人技术. E-mail: nature9966@163.com - 1 -

中国科技论文在线 1 控制系统的硬件设计 40 1.1 RS232-485 通信电路设计 http://www.paper.edu.cn 实现上位 PC 机串口与下位机 RS-485 总线通信，采用 MAX232 和 MAX483 芯片实现电平转换。电路的另一个功能是通过 232 串口对关节控制器 ADuC841/3 进行程序下载。电路实物照片如图 1 所示。 45 50 55 60 65 图 1 RS232-485 通信电路照片 Fig. 1 Photo of RS232-485 communication circuit 1.2 关节控制器设计电路实物照片如图 2 所示，尺寸为 53mm×42mm。关节控制器 MCU 采用 Analog Devices 公司的 ADuC841/3。其特点为：单时钟周期，即一个机器周期由一个时钟周期组成，运算速度可达 20MIPS；片内集成 62KFlash/EE 程序存储器和 4KFlash/EE 数据存储器，2034 字节的 RAM；2 个 PWM 输出模块；双数据指针，11 位扩展的堆栈指针；含有 3 个通用计数器/定时器 T0、T1、T2，另外还一个时间间隔定时器 TIC；一个专门用于产生高速精确的串口通信波特率的定时器 T3，通信波特率可达 230400。还有 SPI，A/D，D/A 等外围功能，适合作为体积受限的智能关节控制器的 MCU，关节控制器采用 MAX483 构成 RS-485 通信网络。 ADuC841/3 系列 MCU 的另一个优点是可以通过串口进行“在电路”程序下载编程 (In-circuit programming)，只需一个下载状态跳线，两根串口线即可进行程序下载，不需仿真 /开发工具，即可进行关节控制程序的升级或开发。进一步还可设置为“在线”程序下载(In-field programming)。这样可以在不拆卸关节电路的情况下顺利地对其程序进行更新。图 2 关节控制器电路照片 Fig. 2 Photo of joint controller circuit 关节控制器采用软、硬件结合的方法，设计了两路正交编码器接口电路。一路编码器的 A，B 信号经 74LS74 辨向后，产生正向/负向计数脉冲送至计数器 T0，T1 进行计数，计 - 2 -

70 75 80 85 90 95 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 数器溢出中断程序扩展 8 位软件计数，形成 24 位可逆计数；另一路编码器的 A，B 信号经 74LS74 辨向后，送至 2 片 74LS191 可逆计数器，形成 8 位硬件可逆计数器，将溢出中断送至 INT0，进行 16 位软件计数，形成 24 位可逆计数。关节控制器中采用 Allegro 公司的霍尔(Hall)元件 A3144 实现零位定位和左/右两个极限位置检测，由于霍尔元件的尺寸很小，适合在狭窄的空间中应用。如图 3 所示。当小磁铁 33×φ )的 N 极，旋转到 A3144 的芯片正面时，霍尔元件的输出电平由高变低，产生一个下 ( 降沿，MCU 检测此信号来判断零位和极限位置。关节的零位与行程限位不同，需要准确定位。霍尔元件的中心安装在机械零位，当小磁铁(随关节输出轴运动)尚未运动到零位位置时，其磁场强度就足够使 Hall 元件的输出产生跳变。这样会产生较大的归零误差。为能准确校准零位，归零时，使磁铁总是从一侧方向归零，当检测到输出下降沿后，对码盘进行计数，当磁铁中心对准机械零位后，得到码盘计数值 n。以后每次归零时，都将此值作为关节归零补偿值。图 3 关节零位的检测 Fig. 3 Detection of the joint mechanical zero point 1.3 关节驱动器设计由于电路放置于空间狭窄的关节内部，因此，电机驱动器采用集成化的 H 桥驱动器。各个关节电机功率不同，驱动力矩也不同，而且关节越小，空间也越小，因此，不同的关节模块采用相应的关节驱动芯片。 NSC 公司的 LMD18200 单 H 桥驱动器，工作电压可达 55V，连续工作电流为 3A，峰值电流为 6A，导通电阻为 0.3Ω。该电路有过电压、过电流和过热保护功能，内置有电流检测电路。电路的制动功能可以使电机短接制动。 Ti 公司的 SN754410(L293B)集成了 4 个半桥驱动器，可组成两个全桥驱动器，供电电压可达 36V，每通道输出电流 1.1A，峰值可达 2A。在单关节驱动时，为增强驱动能力，采用 2 个全桥并联输出方式。 L293DD 与 SN754410 相似，不同之处是，驱动电流为 600mA，峰值电流为 1.2A，对感性负载内部集成了钳位二极管，外围电路更简单，采用表贴封装，体积小，用于在腕关节驱动 2 个小功率直流伺服电机。两种驱动电路的照片如图 4，尺寸分别为 53mm×42mm 和 52mm×28mm。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 电机驱动电路照片 Fig. 4 Photo of motor dirver circuit 100 2 关节位置控制器设计由于对象输入限制(Plant input limitation)或输入切换(Plant input substitution)的存在，被控对象的实际输入与控制器的输出二者有时并不相等，由此引起的系统闭环响应变差的现象被称之为 Windup 现象[5]。在系统设计过程中如果不考虑这种非线性因素的影响，系统在大范围给定输入的情况下会出现大的超调，调节时间延长，甚至造成系统不稳定。控制系统中执行机构的饱和特性，是控制系统中常见的非线性特性之一，也是造成控制器 Windup 现象的典型代表。实现关节控制的 PID 控制器，要求有较高的伺服跟踪精度，因此控制器必须含有较大的积分环节以提高低频增益，当给定输入信号较大时，系统将进入饱和状态，产生 Windup 现象。如图 5，产生积分饱和效应的 Windup 现象的条件是： 105 110 式中 sat ( uu , n min , u max ) : = max u ( u n min ≠ , ( uu u , sat = n s ( ) ) uu min , n max min , u )max (1) )(tr )(te nu su ( )tc 图 5 考虑饱和效应的 PID 控制器 Fig.5 PID controller with saturation limiter 115 120 防止 PID 积分饱和直观的做法是停止或限制积分的方法，即条件积分法，如积分分离法，遇限削弱积分法，变速积分法等，由于“开关”作用的存在，这一类方法归结为非线性结构的 Anti-Windup 算法。其缺点是参数选取往往针对某一特定对象，当对象或系统其他参数发生变化，可能会造成系统的失控，缺乏鲁棒性[106]。典型的线性结构的 Anti-windup 算法是将控制器的输出 nu 与经饱和环节到被控对象的实际输入 su 二者之差作为反馈信号构成反馈支路来消除和抑制 Windup 现象。文献[107-110]采用此类控制器，有效地抑制了伺服系统中的电流、电压饱和等因素的影响，使得 PI 控制器有良好的控制效果。文献[6]采用 Anti-Windup 算法用于电动转台的伺服控制系统，保证转台系统在小信号和大信号输入下都能达到满意的性能指标。关节控制器采用的带 Anti-windup 校正的数字 PID 控制器如图 6 所示。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn pK 1 T i dT td ∫ d td iu pu du cK u presat maxu u )(tc minu 125 130 图 6 带 Anti-windup 的 PID 控制器结构图 Fig. 6 Block diagram of PID controller with anti-windup correction 考虑饱和效应前的 PID 控制器的微分方程可表示为其中，比例项：带饱和效应校正的积分项： u presat = ( ) tu p + ( ) tu i + ( )tu d (2) u p = ( )teK p (3) ( ) tu i = p K T i t 0 ∫ e ( ) + ςς d ( ) tuK c ( − u presat )t ( ) (4) 135 微分项： ( ) tu d = ( ) tedTK td d p (5) 式中 ( )tu — PID 控制器的输出； ( )t upresat —— 饱和效应前的输出； ( )te —— 参考值与反馈值的差值； pK —— PID 控制器的比例增益； iT —— PID 控制器的积分时间常数； dT —— PID 控制器的微分时间常数； cK —— PID 控制器的积分校正增益。方程(2)-(5)离散化后成为饱和效应前的输出 u presat ( ) t = ( ku p ) + ( ku i ) 1 +− ( ku d )1 − (6) 140 比例项 ( ku p ) = )keK ( p (7) 带饱和效应校正的积分项 ( ) ku i = ( ku i ) 1 +− 微分项 ( ) kuKkuK ( ) + pi c ( − u presat )k ( ) (8) 145 ( ) ( ke − ( ke ) )1 − (9) ( ) ku d = TK d T p - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 定义 K = ， K i T T i T d T ( ) ku i (10) presat (11) d = 则带饱和校正的积分项和微分项最终表示为 )k ( ) = ( ( ) u kuKkuK − )1 ) ( ku = − p ( ) + pi ( ( ) kuK c − p d ) 1 +− ( ) ku d 式中 T——控制系统的采样周期。 ( ku i 150 3 结论各关节的控制器、驱动器设计是分布式控制系统的基础。本文设计了各关节的控制器及驱动器硬件电路，各关节采用基于 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现了关节位置控制，理论验证了系统设计合理性，说明系统能够稳定可靠地运行，达到预期的目标。 155 160 165 [参考文献] (References) [1] 肖人彬，陶振武，刘勇．智能设计系统原理与技术[M]．北京：科学出版社，2006：251-287 [2] P. Vadakkepat, KAY Chentan, WANG Mingliang. Evolutionary Artificial Potential Fields and Their Application in Real Time Robot Path Planning[C]// Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation, California, 2000: 256-263 [3] 罗熊，樊晓平，等．具有大量不规则障碍物的环境下机器人路径规划的一种新型遗传算法[J]．机器人， 2004，26(1)：11-16 [4] 周明，孙树栋，彭炎午．基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划[J]．航空学报，2000，21(2)： 146-149 [5] D. Liberzon, A. S. Morse. Basic Problems in Stability and Design of Switched Systems[J]. IEEE Control System Magazine, 1999, 19(1): 59-70 [6] 董锡君，姚郁，王子才．基于滤波器的 Anti-Windup 设计及其在伺服系统中的应用[J]．哈尔滨工业大学学报，2002，34(1)：101-104 - 6 -

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