摘 要：本文提出了一種在LabVIEW環(huán)境下用于輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和測(cè)量的方法。該系統(tǒng)是典型的上下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，下位機(jī)pmac接收并解釋上位機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器速度環(huán)和位置環(huán)的閉合；上位機(jī)基于LabVIEW環(huán)境下通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的同時(shí)可以有效地采集執(zhí)行器和移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本測(cè)控方案極大降低了編程難度，同時(shí)提高了運(yùn)行的效率。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制 數(shù)據(jù)采集 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) 輪式移動(dòng)機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0001-02

近些年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。機(jī)器人學(xué)是一門具有強(qiáng)綜合性的前沿學(xué)科，設(shè)計(jì)人員不僅需要具備交叉學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識(shí)，同時(shí)還需要有相關(guān)的技術(shù)能力。如何降低機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)門檻和縮短開(kāi)發(fā)周期，將更多精力集中在理論研究上，已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制需要提出一種基于ARM+FPGA測(cè)量控制方案，具體做法是在ARM上完成運(yùn)動(dòng)控制算法的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用FPGA完成7通道編碼器的采樣，該測(cè)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于極大減少了系統(tǒng)外部走線和簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。LEGOMindstormsNXT[2]也提供了基于ARM解決方案的機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)是傳感器接口豐富。文獻(xiàn)[3]基于虛擬儀器技術(shù)建立了一套管道焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，具體做法是使用NI-DAQ實(shí)時(shí)采集機(jī)器人狀態(tài)信息并同時(shí)向運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送控制命令，采用這種測(cè)控的最大優(yōu)勢(shì)是在軟件上集成度較高，方便操作。本文以輪式移動(dòng)機(jī)器人為對(duì)象提出一種簡(jiǎn)單便于組建的測(cè)量控制方案，其優(yōu)點(diǎn)在于采用pmac上位機(jī)程序的同時(shí)，極大地降低了程序的開(kāi)發(fā)難度，并提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)由控制模塊、數(shù)據(jù)感知與采集模塊、指令與數(shù)據(jù)分析處理模塊構(gòu)成。指令與數(shù)據(jù)分析處理?？刂瞥绦蛄鞒痰目刂疲瑪?shù)據(jù)的分析處理與保存。數(shù)據(jù)感知與采集模塊負(fù)責(zé)采集感知和獲取移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)信息和電機(jī)的輸出信號(hào)，并通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)送給指令與數(shù)據(jù)分析處理模塊。控制模塊主要由運(yùn)動(dòng)控制器和執(zhí)行器構(gòu)成，該模塊主要功能有二點(diǎn)：第一，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)指令的編譯、解釋和執(zhí)行；第二，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生所需要的控制輸入。

2 測(cè)量控制系統(tǒng)

輪式移動(dòng)機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)需要完成以下任務(wù)：在指定的時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人從初始位形運(yùn)動(dòng)到終止位形，實(shí)時(shí)采集機(jī)器人和執(zhí)行器的狀態(tài)信息，并將最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示到計(jì)算機(jī)的屏幕上。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

輪式移動(dòng)機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)依據(jù)上下位機(jī)形式組建，如圖3所示，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，運(yùn)動(dòng)控制指令和數(shù)據(jù)采集程序的編寫(xiě)，完成數(shù)據(jù)的分析和處理。下位機(jī)由控制模塊和數(shù)據(jù)感知與獲取模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)對(duì)程序的編譯、解釋和執(zhí)行；物理信息的感知和獲取。

測(cè)控系統(tǒng)的二個(gè)交流步進(jìn)電機(jī)，選用容量為400 W的德昌步進(jìn)電機(jī)，伺服方式采用脈沖方向和電壓控制方式，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制方式，運(yùn)動(dòng)控制器采用Delta-Tau公司的turbopmacⅡ型卡，它采用MotorolaDSP56001數(shù)字信號(hào)處理器作為CPU，對(duì)不同電動(dòng)機(jī)，PMAC可提供相應(yīng)的控制信號(hào)，并可接收各種檢測(cè)元件的反饋信號(hào)，如測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、并行數(shù)據(jù)、編碼器、光柵尺等，本系統(tǒng)采用增量編碼器作為伺服檢測(cè)裝置，進(jìn)而檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在pmac和步進(jìn)電機(jī)之間形成了精確的位置反饋和速度反饋。機(jī)器人的其他位姿信息可以由里程計(jì)讀出，通過(guò)PCI-DAQ采集并送到上位機(jī)中處理。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

輪式移動(dòng)機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)基于LabVIEW環(huán)境開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序，可以很容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和程序流程控制，但是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制程序需要在PEWIN32環(huán)境下編寫(xiě)。這里就有一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題：即在運(yùn)動(dòng)控制的同時(shí)，如何有效實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)，這涉及到數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制編程環(huán)境融合的問(wèn)題。

Delta-Tau針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制提出了兩種編程方式，第一種稱為運(yùn)動(dòng)程序，運(yùn)動(dòng)程序在PEWIN32環(huán)境下開(kāi)發(fā)，支持G代碼或者Delta指定的開(kāi)發(fā)指令，最后下載至pmac上執(zhí)行，這種編程方式的優(yōu)點(diǎn)是程序書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)單，編譯執(zhí)行速度快，缺點(diǎn)就是程序開(kāi)發(fā)環(huán)境受限。第二種稱為上位機(jī)程序，具體做法是通過(guò)調(diào)用Delta提供的PCOMM32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)turbopmacⅡ型卡的編程，與運(yùn)動(dòng)控制程序不同的是，使用上位機(jī)程序，運(yùn)動(dòng)控制指令是在上位機(jī)中編譯和運(yùn)行的。上位機(jī)程序的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)控辦板卡的狀態(tài)，可以自定義編程環(huán)境，但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，PCOMM32.DLL庫(kù)中擁有超過(guò)400個(gè)函數(shù)[4]，這無(wú)疑增加了程序開(kāi)發(fā)難度。

本測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制程序采用上位機(jī)的編程方式，但做了進(jìn)一步的改進(jìn)，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。在PEWIN32中編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序，下載到pmac的EPROM中，然后LabVIEW中裝載PCOMM32.DLL后，指向EPROM中的運(yùn)動(dòng)控制程序并執(zhí)行。上位機(jī)同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集和程序流程控制。即利用簡(jiǎn)單的代碼編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序，上位機(jī)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)并執(zhí)行下位機(jī)中的運(yùn)動(dòng)控制程序?；趫D4的軟件結(jié)構(gòu)，可以在LabVIEW環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程難度和降低了程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)函數(shù)庫(kù)的依賴，提高運(yùn)動(dòng)控制程序運(yùn)行的效率。

3 結(jié)論

本文針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人提出了一種基于LabVIEW環(huán)境開(kāi)發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)，以這種形式組建的系統(tǒng)極大降低了編程難度，同時(shí)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率和可靠性，同時(shí)可為今后全反饋控制提供技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳宏鈞，魯思兆，姜生元，等.管道機(jī)器人三軸差速器性能測(cè)控系統(tǒng)[J].控制工程，2011，18（1）：123-127.

[2]SEMIA Corp.（2006），LEGO Mindstorms NXT’REME，2006.

[3]李慨，岳宏，趙海文，等.基于虛擬儀器的管道環(huán)焊機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：416-418.

[4]Delta Tau Corp.（2003），Software Reference Manual Pcomm32PRO，January 28，2003：11-12.