残障服务机器人控制系统设计开题报告(4)

3、控制器:控制器机器人系统的核心。在中心控制器这一方面,在荆老师的建议下我们采用工控机,而不采用基于PLC控制的方式。主要因为服务机器人主


3、控制器:控制器机器人系统的核心。在中心控制器这一方面,在荆老师的建议下我们采用工控机,而不采用基于PLC控制的方式。主要因为服务机器人主要工作场地在于家庭,PLC控制方式可能更适合于工业机器人。

对于机器人的运动来说,运动控制器是运动控制系统的核心部件。国内的运动控制机器目前主要有以下几类:第一类是以单片机等微处理器作为控制核心的运动控制器;第二类是以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器;第三类是基于PC总线的以DSP或FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器。而对于第三类控制器来说,它是以DSP芯片作为运动控制器的核心处理器,以PC机作为信息处理平台,运动控制器以插件形式嵌入PC机,即“PC+运动控制器”的模式。这样的运动控制器具有信息处理能力强,开放程度高,运动轨迹控制准确,通用性好的特点。但同时第三类控制器对设备的体积、成本和运行环境都有一定的限制,难以独立运行和小型化。

近年来随着微电子技术的发展,微处理器的性能越来越高,高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇,使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。为了保证系统具有足够的计算与存储能力,目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。当已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求时,这就产生了机器人系统对SoC(SystemonChip)技术的需求,将特定的处理器与所需要的接口集成在一起,可简化系统外围电路的设计,缩小系统尺寸,并降低成本。例如以美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社为代表的以DSP技术为核心,基于PC的开放式结构的运动控制器。

与此同时,有关PID控制,我们也不应该忽略在一个闭环控制系统中,如果要使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标,那么PID会是实现这种目标的比较好的一种途径。PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。既有实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。

4、计算机:对于用于机器人控制系统的计算机来说,通常情况下计算机需要在一个采样周期内进行大量的运算,特别是在进行直线插补时要进行大量的三角函数的运算,矩阵的乘法,矩阵的求逆等运算。所以就要求CPU有较强的运算能力和较高的运算速度。计算机要实时的对机器人进行控制,并随时处理可能发生的故障和意外情况,这就要求CPU有实时控制能力和中断处理能力。对于PR2机器人所采用的硬件我们可以参考一下:

当然高端处理器和高端配置意味着昂贵的成本,经济效益也会低下,故只是利用PR2所采用的计算机硬件作为参考。具体的可以考虑Inter公司的一些比较经济性而性能又满足要求的处理器。

从软件方面来看(即应用程序)对于控制软件开发环境来说,在机器人软件开发环境上一般工业机器人公司都会有自己独立的开发环境和独立的编程语言。比如说德国KUKA,瑞典的ABB。其实对于机器人软件开发环境,我们应该给点注意力给到适用人群,如果你是机器人的最终用户,你不仅仅使用机器人,而且希望通过编程的方式赋予机器人更多、更适合的功能时,这时候你就需要更专业的机器人开发环境平台。如微软的RoboticsStudio提供的可视化编程环境。其次对于机器人专用的操作系统,我们也需要给到足够的重视。首先对于我们日常绝大多数用户使用的Microsoft公司的Windows系统来说,肯定是不行的。它的面对人群主要是日常使用的家庭用户,并不适用于来进行高要求、稳定的专业工作。专用的操作系统主要有:VxWorks、WindowsCE、嵌入式Linux、μC/OS-Ⅱ以及DSP/BIOS。这里我们可能更青睐于基于Linux的C语言编程。