李春龍，鄒 鯤，陸 晨，呂琳燁，葉 勇

LI Chun-long, ZOU Kun, LU Chen, LV Lin-ye, YE Yong

（東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

阿克斯明斯特地毯毯面平整、豐滿，達到國際商業(yè)重量級地毯標準，需求量持續(xù)增長。但阿克明斯特地毯織機存在織造效率低，換紗工作量大，耗費時間長的缺點，通過智能紗架系統(tǒng)對地毯織機進行自動化改造，縮短換紗時間。該系統(tǒng)采用多機械手換紗及分布式控制系統(tǒng)設(shè)計，動作流程復(fù)雜，信號傳輸頻繁。針對這些特點，本文設(shè)計了基于CAN總線的并行任務(wù)控制系統(tǒng)。

設(shè)計通過同步控制器將功能分層、控制分散[1]，有效將控制重心下移，提高了系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用靈活性，避開了傳統(tǒng)多機械手系統(tǒng)由上而下集中控制的缺陷，各機械手可以分布在相對開闊的工作現(xiàn)場。對于復(fù)雜任務(wù)，通常以有意識協(xié)作協(xié)的異構(gòu)多機器人系統(tǒng)來完成，該類系統(tǒng)一般規(guī)模較小，個體智能水平較高[2,3]，能夠獲得更優(yōu)化的解，但系統(tǒng)功能的實現(xiàn)要依賴復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制機制[4,5]，對通信的要求較高，設(shè)備成本明顯增加。本設(shè)計充分利用分布式控制的特點，將單一層面的并行控制[6]擴展到多層控制，使中轉(zhuǎn)機械手、使中轉(zhuǎn)站和續(xù)紗機器人等多機械手的智能性大大提高，系統(tǒng)能夠以簡化的協(xié)調(diào)控制機制完成復(fù)雜的任務(wù)。通過對CAN總線功能的擴充，文中設(shè)計了樹狀的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，使各節(jié)點具有一定的互用性和可擴充性，簡化了系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，增強了多機械手系統(tǒng)在紡織行業(yè)中的適用性。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)包括絡(luò)紗機、中轉(zhuǎn)機械手、中轉(zhuǎn)站、續(xù)紗機器人和紗架五個部分。系統(tǒng)同時控制多臺絡(luò)紗機進行卷繞，卷繞好的紗團由一臺中轉(zhuǎn)機械手分批放入兩個不同工位的紗箱中，再由兩臺中轉(zhuǎn)站將紗箱分別轉(zhuǎn)運給兩臺續(xù)紗機器人。在換紗過程中，續(xù)紗機器人在紗架組成的巷道中長距離運動，完成不同位置的換紗任務(wù)。

由于紗線的卷繞、運輸、續(xù)紗等都是同時進行且任務(wù)之間也存在著一定的邏輯順序，所以機械手間必然要求靈活的并行或串行控制。另外系統(tǒng)中機械手數(shù)量較多，單就續(xù)紗機器人的電機數(shù)量就有將近20個，上位機控制負荷過重。本設(shè)計模仿生產(chǎn)車間的運行機制，將控制系統(tǒng)劃分為工長級、工人級和肢體級的三個控制層級，具體如圖1所示，為CAN總線網(wǎng)絡(luò)樹狀結(jié)構(gòu)示意圖。絡(luò)紗機、中轉(zhuǎn)站和續(xù)紗機器人等工人級節(jié)點既能接收上位機的并行任務(wù)也能控制肢體級節(jié)點順序執(zhí)行同步控制器分解的底層任務(wù)。

系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議則采用主從通訊模式[7]。工長級節(jié)點（即上位機）將整體任務(wù)分解為一級子任務(wù)下發(fā)到工人級節(jié)點（即同步控制器）或以查詢的方式獲取機械手的狀態(tài)。通過控制各個肢體級節(jié)點，多機械手能夠獨立地完成一級子任務(wù)，同時機械手之間也可以通過同步控制器完成狀態(tài)信息的交互，實現(xiàn)任務(wù)的并行執(zhí)行。該設(shè)計將控制中心劃分給同步控制器節(jié)點，機械手在任務(wù)執(zhí)行過程中擺脫了上位機的大部分干預(yù)，上位機更多的是起到監(jiān)視記和錄的作用。工人節(jié)點在二級網(wǎng)絡(luò)中處于支配地位。它將接收到的一級子任務(wù)分解為二級子任務(wù)，使任務(wù)清單層層細化。同步控制器還兼具分支信息過濾的作用，降低了信息通道的通訊負荷。在任務(wù)的調(diào)度上，同步節(jié)點能根據(jù)節(jié)點的算法為相應(yīng)的肢體級節(jié)點索引底層的二級子任務(wù)，為任務(wù)的調(diào)整和修改提供了獨立的空間。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)樹狀結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)計將系統(tǒng)的控制功能徹底下放到現(xiàn)場，控制體間既有橫向的交互也有縱向的控制拓展。同時，控制的下移也代表著通信負荷的重新分配，使信息流向更趨合理。同步控制器的任務(wù)分配和信息傳輸具有一定的周期性，使控制器中預(yù)置控制程序的編寫和修改大大簡化，各機械手的動作流程和運行軌跡更加趨于模塊化，系統(tǒng)的靈活性和可靠性增強。

1.2 同步控制器硬件結(jié)構(gòu)

節(jié)點采用圖2的通訊板連接，其芯片采用ARM的LPC11C14，CAN收發(fā)模塊選用CTM8251。LPC11C14包含片上C_CAN驅(qū)動的CAN控制器，作為節(jié)點間的通訊接口，具有CAN總線通訊能力，有效地支持了多機械手的實時控制。在各通訊節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)上，中繼器和同步控制器結(jié)構(gòu)相同，使硬件互換性提高，設(shè)備維護簡單易操作。

圖2 網(wǎng)橋/同步控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 同步節(jié)點控制程序

同步控制器能夠?qū)χw級任務(wù)進行分解、協(xié)調(diào)和分配，負責(zé)狀態(tài)的監(jiān)控及反饋，直通信息的傳遞等。所以同步控制器的兩個M0芯片分配有不同的功能，定義為：狀態(tài)芯片M0_1和任務(wù)芯片M0_2。狀態(tài)芯片主管運行狀態(tài)，儲存二級子任務(wù)的完成情況及其他相關(guān)狀態(tài)信息；任務(wù)芯片主管任務(wù)調(diào)度，二級子任務(wù)的決策及Flash存儲器的任務(wù)索引等，任務(wù)的增加、刪減及順序的修改都能在該節(jié)點實現(xiàn)。當(dāng)一級子任務(wù)指令到達同步節(jié)點后，控制程序通過判斷狀態(tài)芯片內(nèi)的狀態(tài)信息來索引任務(wù)芯片F(xiàn)lash中的清單任務(wù)，并經(jīng)CTU（CAN To UART的縮寫）傳遞給執(zhí)行機構(gòu)，二級子任務(wù)完成后狀態(tài)芯片即改寫狀態(tài)變量，以供后續(xù)查詢。判斷狀態(tài)-索引任務(wù)-更改狀態(tài)三個階段循環(huán)執(zhí)行，輔助完成一級子任務(wù)。

圖3 同步節(jié)點控制程序流程圖

同步控制器將整個網(wǎng)絡(luò)改造成分級遞階的結(jié)構(gòu)，使智能體具有了一定的自主性。另外，片內(nèi)存儲器的使用能夠起到掉電保護的作用，使系統(tǒng)能夠在斷電重啟后仍保持系統(tǒng)掉電前的工作狀態(tài)。

3 地址分配

系統(tǒng)在不同的運行模式下，任務(wù)指令和狀態(tài)信息所能到達的節(jié)點范圍不同，如在調(diào)試模式下，上位機可以將指令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點，而在正常運行模式下，同步節(jié)點可以向平行節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息或向子節(jié)點發(fā)送二級子任務(wù)。這就要求系統(tǒng)能夠在全局進行縱向和橫向的通訊，而CAN節(jié)點ID的配置則在其中起著關(guān)鍵作用。

考慮到所設(shè)置ID地址中要包含中繼器，同步控制器，CTU地址以及其他預(yù)留位信息，所占用的位數(shù)較多，所以使用29位ID地址的擴展幀較為合適。如表1所示。

表1 ID接收地址的分配表

對于CAN報文的接收過程，我們采用分層式的地址接收方式加方向位輔助配合。該方式整體分為三層，由上到下各層分別對應(yīng)中繼器位、同步控制器位和CTU位。縱向發(fā)送信息時，接收地址層層遞進，每個節(jié)點只對比接收相應(yīng)層級上的的相應(yīng)地址位，中繼器即通過中繼器位的仲裁對接收的報文進行過濾，信息流在該層節(jié)點分流。同時，由于分層式地址接收方式只過濾本層級的地址位，同步節(jié)點可以只設(shè)置同步控制器位將報文約束在工人級的控制層，完成機械手間的橫向信息交互。

這種地址設(shè)置方式降低了統(tǒng)籌設(shè)計的復(fù)雜性，不需要反復(fù)的全局衡量和計算，ID和MASK設(shè)置較之前更加直觀簡單。相對集中的地址位設(shè)置使該種方式的ID配置與硬件的結(jié)合成為可能，如撥碼開關(guān)的使用等，能夠簡化通訊設(shè)備的安裝和更換，降低了操作人員的技術(shù)要求水平。

4 組合幀

從不同的運行模式看，8個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀不能完全滿足單次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，特別是在調(diào)試模式下，上位機單次下發(fā)的數(shù)據(jù)甚至?xí)^20個字節(jié)，必須進行幀數(shù)據(jù)的組合傳輸。以上位機發(fā)送到續(xù)紗機器人下的CTU3節(jié)點為例，發(fā)送過程如表2和表3所示。

表2 ID配置

表3 組合幀發(fā)送過程

在傳輸過程中，CAN報文的接收是對擴展幀特定地址區(qū)域的仲裁，解決的是信息來源的問題，數(shù)據(jù)的去向則是由主程序配合完成。程序提取并檢查擴展幀中相鄰層級的地址位（向下發(fā)送時，則檢查下一級地址位；反之則檢查上一級地址位），決定是否繼續(xù)發(fā)送。

組合幀解決了長字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸問題，彌補了CAN報文8字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜毕?，使長字節(jié)數(shù)據(jù)能夠順利到達目標節(jié)點。

5 結(jié)束語

本設(shè)計確定了并行任務(wù)控制系統(tǒng)分層式的總體設(shè)計架構(gòu)，將部分控制功能配置給工人級節(jié)點，使機械手具有一定的自主性，實現(xiàn)了并行任務(wù)和串行任務(wù)的交叉控制，增強了系統(tǒng)的控制靈活性。文中提出基于CAN總線的樹狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，采用分層式的地址分配方式，實現(xiàn)了分支信息的過濾及橫向信息的傳輸，同時，組合幀過程還解決了CAN報文數(shù)據(jù)空間不足的問題，實現(xiàn)了長字節(jié)數(shù)據(jù)在CAN總線中的傳輸?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計促進了阿克明斯特地毯織造系統(tǒng)的自動化改造，使分布式控制技術(shù)更好的應(yīng)用于紡織行業(yè)。

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