摘 要： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，PMAC卡作為底層控制器在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中廣泛應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)采集源、與上位機(jī)通信模式，對(duì)基于PMAC的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行分析，確定在線指令方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定制了基于網(wǎng)口的開(kāi)放通信模塊。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用了軟件模塊化、多線程、定時(shí)器、雙緩存等技術(shù)實(shí)現(xiàn)指令編碼、數(shù)據(jù)采集與解碼。測(cè)試結(jié)果證明了通信與采集子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞： PMAC；開(kāi)放控制；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)性；機(jī)器人
0 引言
在工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是一個(gè)基本而且重要的環(huán)節(jié)，如何提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性一直是工控技術(shù)人員所關(guān)心的問(wèn)題[1]。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡（Programmable Multi-Axis Controller，PMAC）集執(zhí)行程序（運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序）、數(shù)據(jù)采集、伺服環(huán)更新、資源管理等多個(gè)模塊一起協(xié)同工作，在工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用[2]。
1 基于PMAC的數(shù)據(jù)采集分析
PMAC通過(guò)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的4路數(shù)字信號(hào)解碼得到該關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等數(shù)據(jù)源，上位機(jī)采集這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)運(yùn)算得到機(jī)器人實(shí)時(shí)的位置和運(yùn)動(dòng)信息。數(shù)據(jù)采集涉及數(shù)據(jù)采集源、通信模式、采集方法、數(shù)據(jù)解碼、人機(jī)交互[3]等。
數(shù)據(jù)采集源指被采集的數(shù)據(jù)在卡上存儲(chǔ)的對(duì)象，主要有PMAC緩沖區(qū)、寄存器、雙端口RAM。
PMAC主卡與上位機(jī)之間的通信模式有104總線接口、USB2.0以太網(wǎng)口、RS232串口等。
結(jié)合通信模式和數(shù)據(jù)采集源，基于PMAC數(shù)據(jù)采集有雙端口RAM、Gather功能寄存器、PLC程序M變量、在線指令等采集方法。基于雙端口的數(shù)據(jù)采集從雙端口RAM中采集數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過(guò)通信口發(fā)送命令和等待響應(yīng)時(shí)間，實(shí)時(shí)性較好。基于Gather功能的數(shù)據(jù)采集從緩沖區(qū)采集數(shù)據(jù)，需要使用PMAC的通信驅(qū)動(dòng)和Gather類(lèi)函數(shù)，適合于大量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]。基于PLC程序和在線指令的數(shù)據(jù)采集從I/O及運(yùn)動(dòng)寄存器獲取數(shù)據(jù)，需要使用PMAC的通信驅(qū)動(dòng)和軟件定時(shí)器。基于在線指令的數(shù)據(jù)采集可以實(shí)時(shí)單點(diǎn)采集，也可以循環(huán)采集，而且可以基于以太網(wǎng)口定義開(kāi)放式通信接口，獨(dú)立于PMAC驅(qū)動(dòng)程序。
2 基于多線程技術(shù)和在線指令的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集
2.1 多線程技術(shù)
多線程編程技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人控制，可在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、狀態(tài)切換、屏幕刷新等任務(wù)，提高程序的實(shí)時(shí)性和軟件的整體性能[5]。本控制系統(tǒng)采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實(shí)現(xiàn)
本文基于在線指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自定義通信接口。
2.2.1 開(kāi)放式通訊接口
目前所見(jiàn)的基于PMAC的機(jī)器人開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器都利用了Delta Tau公司提供的PComm32PRO通信驅(qū)動(dòng)程序，限制了控制器的開(kāi)放性。為了支持嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，采用C++設(shè)計(jì)了PMAC開(kāi)放式網(wǎng)口通信服務(wù)，供上層服務(wù)通過(guò)socket調(diào)用，數(shù)據(jù)規(guī)范如下：
typedef struct tagEthernetCmd
{
BYTE RequestType；
BYTE Request；
WORD wValue；
WORD wIndex；
WORD wLength；
BYTE bData[1492]；
}ETHERNETCMD，*PETHERNETCMD；
PMAC卡IP地址是：192.6.94.5：1025。
2.2.2 數(shù)據(jù)采集的編碼實(shí)現(xiàn)
PMAC指令以及回傳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都是字符串，需要進(jìn)行指令編碼和數(shù)據(jù)譯碼。
struct PMACFPV
//定義循環(huán)采集的速度和位置
{
double FP1；
double FP2；
double FV1；
double FV2；
}；
struct PMACFPV PMACPVF（）
//周期采集
{
struct PMACFPV PV；
char AV1[255]，AP1[255]；
long NV1，NP1；
char AV2[255]，AP2[255]；
long NV2，NP2；
NV1=PmacGetResponseA（0，AV1，255，"#1V"）；
PV.FV1=atof（AV1）/20；//速度譯碼
NP1=PmacGetResponseA（0，AP1，255，"#1P"）；
PV.FP1=atof（AP1）/20；//角度譯碼
cout<<NV1<<endl；
cout<<AV1<<endl；
cout<<PV.FV1<<endl；
cout<<NP1<<endl；
cout<<AP1<<endl；
cout<<PV.FP1<<endl；
NV2=PmacGetResponseA（0，AV2，255，"#2V"）；
PV.FV2=atof（AV2）/20；//速度譯碼
NP2=PmacGetResponseA（0，AP2，255，"#2P"）；
PV.FP2=atof（AP2）/20；//角度譯碼
cout<<<<NV2<<endl；
cout<<AV2<<endl；
cout<<PV.FV2<<endl；
cout<<NP2<<endl；
cout<<AP2<<endl；
cout<<PV.FP2<<endl；
return PV；
}
char*PMACITOAP（double P1，double P2）
//關(guān)節(jié)位置譯碼
{
double IP1=0，IP2=0；
IP1=P1*20；
IP2=P2*20；
char*AP1=（char*）malloc（30*sizeof（char））；
char*AP2=（char*）malloc（30*sizeof（char））；
gcvt（IP1，15，AP1）；
gcvt（IP2，15，AP2）；
char*PAP1=（char*）malloc（sizeof（char）*100）；
char*PAP2=（char*）malloc（sizeof（char）*50）；
strcpy（PAP1，"X"）；
strcat_s（PAP1，100，AP1）；
strcpy（PAP2，"Y"）；
strcat_s（PAP2，50，AP2）；
strcat_s（PAP1，100，PAP2）；
printf（"關(guān)節(jié)的位置譯碼結(jié)果是%s\n"，PAP1）；
//輸出拼接結(jié)果
return PAP1；
free（AP1）；//
free（AP2）；//
free（PAP1）；//
free（PAP2）；//
}
在嵌入式應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)采集需要預(yù)防產(chǎn)生內(nèi)存泄露的情況發(fā)生，優(yōu)化內(nèi)存資源。
2.3 控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建與軌跡跟隨測(cè)試
2.3.1 控制系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建
MOTOMAN、SEIKO等均把基于PC的機(jī)器人控制器作為發(fā)展方向[6]，主要形式有：
工控機(jī)+接口卡。接口卡不帶處理器，將各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)送入工控機(jī)，經(jīng)伺服程序計(jì)算得到伺服電機(jī)的控制量[7]，這種方式構(gòu)建的系統(tǒng)具有很高的靈活性和擴(kuò)展性，但開(kāi)發(fā)難度比較大。
工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡。以DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡可以集多軸實(shí)時(shí)伺服運(yùn)動(dòng)控制于一卡，并有函數(shù)庫(kù)供用戶(hù)在工控機(jī)上構(gòu)建所需的控制系統(tǒng)，工控機(jī)主要完成系統(tǒng)管理、狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等上層任務(wù)[8]。
本文采用工控機(jī)+多軸運(yùn)動(dòng)控制卡（PMAC）作為機(jī)器人控制器，硬件原型如圖2所示。
為了滿(mǎn)足機(jī)器人控制實(shí)時(shí)性要求，工控機(jī)需要運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如Windows CE等，或采用通用Windows操作系統(tǒng)+實(shí)時(shí)擴(kuò)展環(huán)境RTX，可以利用Windows操作系統(tǒng)完備的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和豐富的軟件資源[6]。本控制器硬件采用研祥EC3-1711CLDNA工控機(jī)，其CPU是Genuine Intel（R）processor 600 MHz，內(nèi)存為480 MB，存取速率為599 MHz，硬盤(pán)為80 GB，操作系統(tǒng)采用Windows XP+RTX。
2.3.2 系統(tǒng)測(cè)試
為驗(yàn)證控制平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集的有效性，采用兩關(guān)節(jié)模擬工業(yè)機(jī)器人和靜態(tài)PID進(jìn)行測(cè)試。軌跡跟隨測(cè)試的軟件流程和測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示，關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)跟隨位置如表1和2所示。
3 結(jié)論
本文從數(shù)據(jù)采集源、通信模式、采集方法等對(duì)基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，完成通信接口、指令編碼數(shù)據(jù)解碼等的模塊化設(shè)計(jì)和封裝，采用多線程技術(shù)優(yōu)化性能。硬件平臺(tái)的兩關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡跟隨測(cè)試的關(guān)節(jié)空間和笛卡爾運(yùn)動(dòng)空間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的有效性。
參考文獻(xiàn)
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