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1、第一章 绪论1.1 论文的研究背景及意义随着科学技术的发展以及人们对视频画面质量的要求不断提高,在进行电视转播时,经常需要摄影设备对空中全景进行拍摄,借助于摇臂摄像机、曲臂升降车和直升机航拍设备来完成上述任务是比较成熟的手段,但由于工作区域及拍摄角度等各种条件的限制,这些拍摄设备都不能很好的完成空中拍摄任务。近年来,柔索牵引摄像机机器人的出现为上述问题提供了一个非常完美的解决方法。柔索牵引摄像机器人在广场,大型演播室等三维空间内可达到无盲点旋动、悬停飞行等效果,从而为观众提供一场非同一般的视觉盛宴。早在1983年就有学者提出柔索牵引摄像机器人的设计思想,不过受限于多根柔索间的协调运动控制与平台
2、振动等方面的技术难题,柔索牵引摄像机器人的拍摄效果一直无法达到理想的要求,经过研究人员和相关领域学者的不断摸索与努力,直到最近几年这种摄像机器人才得到了广泛的应用1-2。即使到现在,也很少见到关于摄像机器人机动性指标的最大速度、最大加速度、上升时间、运动变向响应时间等,以及关于稳定性指标的最大振幅、振动频率、调整时间等的深入研究报道,而仅仅是停留在最大运行速度为9m/s的运动性能的定量认识上3-4,而这种运行速度相对于在两条平行空中索道上滑行的二维索道摄像机人的最大速度36m/s而言还是非常小的,基于此,如果能够更好的协调摄像机器人牵引索间的运动控制,提高驱动电机的转动精度以及减小其响应时间,
3、柔索牵引摄像机器人的最大速度也还有提高的潜力。目前该种柔牵引机构搭载摄像机系统有着广泛的应用前景,由于其自身的运动特性所带来的特殊视角能给观众带来前所未有的视觉体验,所以包括北京奥运会、南非世界杯、广州亚运会以及央视春晚等大型赛事的实况转播和综艺广播电视节目的录制都采用了该种产品类型的设备。但是国内还未掌握其核心技术,一些大型运动会及综艺转播节目的主办方若需要用到此技术。除了租用了国外的设备包括专业人员外并无他法,但是其价格高昂,不但增加了运营成本,而且在沟通协调方面也有诸多不便。所以我国自己的柔索牵引摄像机器人的早日出现将为央视、地方电视台以及影视设备公司等带来前所未有的惊喜。1.2 柔索牵
4、引并联机器人的简介及发展概况1.2.1 柔索牵引并联机器人的简介由于传统串联机器人具有机械效率低,末端操作精度低等劣势,在20世纪中后期,并联机构的概念慢慢地被相关学者提出5,由于并联机器人在刚度、精度、负载及结构等方面具有众多的优势,使得其在大物件装配、模拟运动、空间的对接和加工制造等领域得到了非常广泛的应用,但这仅仅是实现了并联连杆机器人的设计。虽然并联连杆机器相对于串联机器人在工作能力上已有很大的进步,但是工作空间小是并联连杆机器人最突出的缺点。为了解决上述缺点,柔索替代刚性连杆的概念被研究人员提出,这一概念便很快的被应用于柔索牵引并联机器人设计与制造中。作为并联机器人的一个重要分支,柔
5、索牵引并联机器人的显著特点是用柔索代替连杆作为它的驱动元件,这也可以认为柔索并联机器人是由柔索驱动与并联机器人组合而成。柔索牵引并联机器人是一种新型的机器人,在柔索牵引摄像机器人、风洞支撑系统,大射电望远镜等方面应用前景广泛。柔索牵引机器人的设计中采用了铰链转角并结合柔索的伸缩范围,使得机器人具有较大的工作空间;由于柔索的质量轻,运动惯量小,所以柔索并联机器人在负载能力方面也有很大的提高;柔索牵引并联机器人大大地缩减了运动部件的惯量,这使得柔索牵引并联机器人的速度和加速度可以大幅度的提高,这种优势将会在高速运动的场合显现得非常突出6-7。1.2.2 柔索牵引并联机器人的发展概况早在20世纪80
6、年代初,美国麻省理工学院,的学者Landsberger8在海洋作业等方面进行了大量的研究并取得了一定的研究成果,在总结经验的过程中提出了柔索牵引并联机器人的设计思想;到了20世纪80年代末Dagalakis等9人经过多年的努力,最终研制出了名为ROBOCRANE的索牵引并联机构,但这种并联机构的设计中仍然带有串联子系统,随后基于研究成果及设计经验,他们提出了一种用于起重机的索牵引并联机器人的设计方法。20世纪80年代出在芝加哥举行的机床展览会上,来自美国的Giddings & Lewis公司和Ingersoll公司分别研制出了并联机器人的六足型机床 10-11,这一研制成果在很大程度上推动了并
7、联机器人的发展并由此引发了并联机器人在制造业领域的广泛研究。在国内,许多科研院所及相关研究机构也开始了柔索牵引并联机器人的研究,并取得了大量的研究成果。作为中国科学院国家天文台FAST工程总工程师兼首席科学家的南仁东研究员,经过多年的理论研究和实践经验总结,提出将贵州喀斯特洼地作为望远镜台址,建设巨型球面望远镜作为国际SKA的单元,即500米大口径球面,射电望远镜(FAST)项目12。国家天文台 的李辉、朱文白研究员 对天线馈源柔索支撑机构进行了进一步的研究13。清华大学的任革学教授等人经过长期的理论研究和科研实践,研制出了一种通过柔索牵引并实现空间自由移动的馈源小车,馈源姿态的调整主要是通过
8、安装在小车上的两轴转动系统完成的14。西安电子科 技大学 的段宝岩院士和仇原鹰教授 等15-16对并联机构进行了大量的理论研究并提出了一种馈源指向跟踪运动的设计方案,这种设计方案中采用了6根大跨度并联柔索牵引馈源舱运动,并建立了该设计 方案的50m射电望 远镜模型(图 1.1)。华侨大学的,郑亚青博士在并联机构方面也做了大量的研究工作,并且取得了丰硕的研究成果,为后续学者的研究提供了充实的参考素材 17-18,同时厦门大学的 ,林麒教授、刘雄伟教授以及郑亚青博士也通过长期合作,在柔索牵引并联机器人的研究方面取得了大量成果,并研制出了一种用于进行飞行器风洞实 验的模型,该模型由8根索牵引来完成6
9、自由度的运动19(图 1.2)。中国科学院自动化所的李成栋通过大量的摸索实践,研制出了一种通过4根柔索驱动的自调平起重设备20,这种期中设备是通过调节柔索,的长 度使,负载在起吊过,程中保持水平。哈尔滨工程大学,的张立勋,教授提出了一种柔索牵引并联机器人的设计思想,这种机器人主要用于病人的骨盆康复训练的中21。 图1.1 50m射电望远镜模型 图1.2 柔索牵引风洞飞行器模型在国外,有影响的柔索牵引摄像机器人有德国的Spidercam(图1.3)与美国的Skycam22(图1.4)。Spidercam公司研发出一款具有革命性的摄像机搭载系统。该套索牵引并联机器人系统安装在四个绞盘上,系统末端的
10、摄像机在四根柔索的牵引下可以实现空间的三维运动,以便移动到任何理想的位置。美国August Design公司研制出了一种名为SkyCam的索牵引摄像控制系统,它的最快飞行速度能够达13米/秒,而且定位迅速,几乎能够提供任何位置和角度的报道,目前这种设备主要应用于露天大型运动场等开放空间的场合中。 图1.3 Spidercam 图1.4 SkyCam1.3 本文的研究目的及主要工作1.3.2 本文的主要工作基于本文研究目的,文中的具体章节及主要内容安排如下:第一章 绪论。概述了本文的研究背景及意义,阐述了柔索牵引并联机器人研究领域的相关理论知识及发展概况,说明了论文的课题来源及其研究目的。第二章
11、 柔索牵引摄像机器人的总体控制方案设计。建立了柔索牵引摄像机器人的运动学模型;选择了摄像机器人的控制模式;通过对摄像机器人运动过程的具体分析及相关运动方程的推导,得到了摄像机器人运动速度的求解及规划方法;在此基础上,提出摄像机器人,控制系统的总体,设计方案。第三章 柔索牵引摄像机器人控制台及执行机构设计。分析控制台的功能需求,基于控制台所要实现的功能选择合适的电器元件并设计了电路的主要模块;根据执行机构的组成和功能,概述了执行,机构的控制系统,说明了执行机构的主要器件选择及其性能,对比了伺服电机的控制模式并选择出适合该系统的控制模式。第四章 柔索牵引摄像机器人的上位机软件设计。介绍了上位机软件
12、的开发语言和开发环境,明确了上位机软件功能,开发了上位机软件,提炼出开发过程中的关键技术;结合上位机软件,设计出适合上位机与控制台、上位机与执行机构间的通信连接模式。第五章 柔索牵引摄像机器人控制系统的实验验证。完成了控制系统的硬件连接和软件配置;进行了控制系统实验,结合仿真软件,对得到的控制结果予以分析,验证了所设计的控制系统的合理性,总结了控制过程中出现的问题及其解决方法。第六章 总结与展望。总结了本文的研究工作成果及论文中相关问题的解决方法,并对以后的进一步研究工作提出了展望。第三章 柔索牵引摄像机器人的控制台及执行机构设计3.2 控制台的设计3.2.2 控制电路主要器件选择()微处理器
13、的选择微处理器是控制台的核心,相当于人类的大脑,所以微处理器选择的合适与否直接决定本文所设计的控制系统能否正确完成控制任务。本文所述控制台的微处理器必须具有指令处理时间短、工作稳定、支持串行通信模式等特点,结合现在控制领域广泛应用的微处理器类型以及本文所设计的控制系统的要求,选用ARM系列的LPC 2132作为本文所述控制台的微处理器31。LPC2132是32位ARM7TDMI-STM CPU微控制器,带有16kB片内静态RAM。多达47个GPIO口,1个8路10位A/D转换器,每个通道的转换时间低至2.44s,非常适合需要多路A/D转换的场合,1个10位D/A转换器,可提供不同的模拟输出。2
14、个32位定时器/计数器,PWM单元和看门狗。多个串行接口,包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口(400kbit/s)、SPITM和具有缓冲作用及数据长度可变功能的SSP,片外晶振频率范围:130MHz。内部集成实时时钟等,资源比较丰富,使它们特别适用于工业控制和医疗等嵌入式系统32。LPC2132芯片的内部结构如图3.2所示。图3.2 LPC2132芯片内部结构图(2)控制手柄的选择操作人员通过控制手柄控制摄像机器人在三维空间运动,而手柄偏移的角度和方向决定摄像机器人的运动速度大小和方向,因此为了实现摄像机器人的运动速度调节范围宽广以及调节精度高,选择的控制手柄输出数据范围
15、要广,输出误差小。综上所述,本文采用的控制手柄是昆明速尔控公司的SEK35系列自动复位霍尔型输出操作杆。SEK35系列控制杆结构简单,配备模块化电路输出,方便配套各种控制设备,带有自动复位和中心零位功能,安装方便,基本电压输出为0.54.5V。该种操作杆输出扭矩和复位误差小,使用寿命长,工作温度范围高,工作电压低,特别适合于工程机械、悬浮车辆、医疗器械、机器人以及各种人机远程视频操作系统等领域的应用。SEK35系列操作杆结构及电路连接如图3.3所示。图3.3 SEK35系列操作杆3.2.3 控制电路主要模块详解控制电路主要由主控模块电路,电源模块电路,A/D转换模块电路,串口模块电路,按键模块
16、电路等组成,本节将结合上述模块电路图对各模块的电路设计进行详细介绍。(1)主控模块电路主控模块电路主要是指LPC2132微处理器管脚电路连接及电气配置,下面结合图3.4对LPC2132部分管脚电路连接及电气配置进行详细说明。图3.4 LPC2132各管脚电路连接图主控模块LPC2132的P0.28P0.30用于连接A/D转换电路的三个输入,这三个输入分别代表控制手柄在XYZ三个方向的偏移量所对应的电压值,主控模块的控制程序将采集到的信号转换为数字量并发给上位机;P0.05P0.07和P1.24是水平方向按键输入端,P0.9是水平加速按键输入端,当用户输入按下按键时,该口为低电平,控制程序根据这
17、几个I/O口的电平信息判断操作人员采取何种控制方式;P0.10和P1.23是铅垂方向按键输入端,P0.8是铅垂加速按键输入端,这几个按键与水平方向按键具有相同功能;P1.20是急停按键输入端,当该口为低电平时,表示急停按钮按下,控制系统将紧急停止。(2)电源模块电路电源为整个控制台提供能量,是在进行控制台设计时首先要考虑的因素。本文所设计的控制台采用直流电源供电,LPC2132微控制器的内核和I/O使用同一电源电压,其内部自带有3.3V转1.8V装置为内核供电,所以LPC 2132系统只需提供一个3.3V的电源即可,又由于有些外设需要5V供电,所以本控制台需要提供两种形式的电源。在本文所设计的
18、控制台中,电路设计中采用了两级电源来完成系统的供电,第一级电源采用的是开关电源,其输入为24V,输出5V,第二级电源的输入采用的是第一级电源的输出,第二级电源的输出是3.3V。采用两级电源供电,可以使每级电源的压差都不是很大,这样做不仅可以降低电气元件的散热量,同时也降低了功耗。第一级电源采用开关电源,主要利用了开关电源具有转换效率高,散热量较小,不占用空间等优势;二级电源给主控芯片及其它电气元件直接供电,电源的纯净性比较高,且功耗不大;考虑到控制台的许多外围电气元件都需要5V电压供电,一级电源正好可以直接作为这些电气元件的供电电源。本文所设计的控制台电路的电源模块电路如图3.5所示,控制台上
19、电后,首先将输入24V直流电源,然后通过LM2596S开关电压调节器将电源稳至5V。转换输出的5V直流电源可通过SPX1117-3.3将其转换成3.3V输出。当正确连接电源后,D3电源指示灯点亮。其中,LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在4%的范围内;SPX1117-3.3是低压差(LDO)稳压器,输出电流可达800mA,输出电压精度在1%以内,具有电流限制和热保护功能。这两种芯片广泛应用在数字家电和工业控制等领域。图3.5 电源模块电路(3)A/D转换模块
20、电路微处理器只能处理数字信号,通过控制手柄输出的信号是电压信号,它是模拟信号,因此微处理器在处理此信号时,必须首先通过A/D转换器将该模拟信号转换为数字信号,最后交给微处理器处理。工程中目前比较常用的模数转换器是双积分式模数转换器和逐次逼近式模数转换器。双积分式A/D转换器具有较高的转换精度,它的抗干扰的能力较强,同时价格也相对便宜,但是其不足是转换速度较慢;相对于前一转换器,逐次逼近次A/D转换器的转换速度较快、转换精度较高。LPC2312片上集成了一个8路10位逐次逼近式A/D转换器,测量范围为03.3V,完成一次10位的转换时间小于2.44s33。在本文所设计的控制台中,所要采集手柄输出
21、的电压信号,并将其转换成数字信号进行处理,控制电路中的A/D转换电路如图3.6所示,其中Input x,Input y,Input z分别连接方向手柄的x,y,z输出端,Ad x, Ad y, Ad z分别接LPC2132的输入端,转换结束后,处理程序可从微控制器的数据寄存器中读出每次A/D的转换值。图3.6 A/D转换电路(4)串口模块电路控制台与上位机间必须建立有效的通信连接。在控制台与上位机实现通信时主要有两种通信方式:一种是并行通信方式,另一种是串行通信方式34-35。并行通信方式是指一组通信数据通过并行接口,用8根数据线同时进行传送的通信方式。这种通信方式的优点是传送速度快,但由于在
22、进行数据传送时需要多根数据线共同工作,因此它一般被应用于近距离的数据通信方式中。相对于并信通信方式需要多根数据传输线而言,串行通信方式则大大减少了传输线的数量,串行通信只需要一根数据传输线,在数据传输过程中,通信数据的各个位按照先后顺序逐位的传送,由于串行通信方式可以节省大量的导线,在远距离传输时其优点较为突出,所以在远距离通信时,数据之间的通信模式大多采用串行通信。本文所设计的控制系统中控制台与上位机的通信方式采用RS232全双工串行通信模式。LPC2132处理器包含UART0和UART1两个UART接口,UART是通用异步串行通信接口的总称,它允许在串行链路上进行全双工通信,输入输出电平为
23、TTL电平。在上位机与控制台进行传输时,上位机串口采用的是RS232电平,而UART采用的是TTL电平,因此上位机与UART与连接时,必须使用电平转换器件进行电平转换。在本文所设计的控制台中,使用MAX3232(UART0)芯片来完成两者之间的电平转换,MAX3232为电平转换芯片。串口使用标准的9针RS232接口,串口模块电路如图3.7所示。图3.7 串口转换电路(5)按键模块电路按键是控制台的输入设备,按键控制是进行人机交互系统的设计中非常实用的功能,因此大多数的控制系统中都会有按键的出现。按键电路的实现方法主要有两种:一种是使用专门的键盘控制芯片,如ZLG7289、ZLG7290等,这种
24、实现方法的优点是信号引脚较少,控制芯片本身具有去抖动,防止多键、串键的保护功能,对于编程人员来说,控制程序的编写较为简单,但是这种芯片的价格往往比较贵,从而增加了产品的设计成本;第二种方法就是利用控制台微处理器本身具备的GPIO(通用输入输出引脚)部件实现按键功能,相对于采用专门的键盘控制芯片来说,这种实现方法的显著优点是电路设计简单,由于采用了微处理器自身所具备的功能,所以设计成本比较低廉,这种实现方法的缺点是占用了微处理器本身的资源,而且编程人员需要编写比较繁琐的软件控制程序。但是针对本文所设计的控制台来说,由于实现的按键功能较少,微处理器本身也有很多资源没有利用,相对来说控制程序的编写也
25、较为简单,所以本文将采用微处理器的GPIO部件实现按键功能。本文所设计的控制台采用独立式按键输入,这种设计方法中每个按键均占用一个GPIO引脚,如图3.8所示。在具体电路设计时,电气连接中每个GPIO引脚都连接一个上拉电阻,并且将这些GPIO引脚的属性定义为输入方式,当程序读取的GPIO引脚状态为高电平时,表示当前没有按键被按下,反之,当控制台上有按键按下时,控制程序将读取到该引脚的电平状态为低电平。这样,控制程序通过判断GPIO引脚的电平状态就能准确捕捉到是哪个按键被按下,从而执行按键相对应的功能。图3.8 按键模块电路3.2.4 控制台功能概述根据前面所述的控制台功能和完成的主要电路模块,
26、设计出如图3.9所示的控制台。下面结合图3.9对控制台的结构及所要完成的功能进行具体说明。当操作人员以某种控制方式操作控制摄像机器人运动时,控制器通过A/D转换电路将手柄实时采集到的代表速度的电压模拟量转换成数字量并发送给上位PC机,然后由上位机和执行机构完成对摄像机器人的运动控制。图3.9 控制台3.3 执行机构的设计3.3.1 执行机构的组成及功能执行机构简单来说就是把控制信号转换成相应动作的机构。本文所述的执行机构是指接收上位机的运动指令,通过控制电机的转动来带动柔索的伸缩并最终控制摄像机器人运动的机构。执行机构应具备快速处理指令和准确执行指令的能力。本文所述的执行机构主要包括:嵌入式P
27、C机,EtherCAT通讯模块,伺服驱动器,伺服电机和摄像机。执行机构实物图如图3.10所示。伺服驱动器嵌入式PC机伺服电机机摄像机图3.10 执行机构3.3.2 执行机构的控制系统本文所设计的执行机构中运用的控制系统是Beckhoff TwinCAT系统,各个软件模块(如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows应用程序等)的工作模式类似于硬件设备,它们能够独立工作。各个软件模块之间的信息交换通过TwinCAT ADS而完成。下面分别对TwinCAT以及TwinCAT PLC的相关技术进行说明。(1)TwinCAT技术TwinCAT是“The Windows Control
28、 and Automation Technology”的缩写,即基于Windows操作系统的自动化控制技术。它是一个自动控制软件包,包含工程和运行时间,主要针对:实时核、I/O数据采集、顺序控制(PLC)、运动控制(移动控制)和通讯(ADS)。以上都是在Windows NT/2000/XP、嵌入式Windows NT/XP以及CE的硬实时环境下执行的。此外,TwinCAT的多任务实时控制具有强大的功能。TwinCAT可对PLC、PID、I/O、CNC轴位以及用户需要完成的特殊任务进行时间安排,并且在一台PC机上可同时运行多个逻辑PLC,每个任务独立运行互不干扰,而该系统的分辨率仅为100微妙。
29、系统构成方面:TwinCAT系统由实时服务器(Realtime Server)、系统控制器(System Control)、系统OCX接口、系统工具箱(System Toolbox)、PLC系统、CNC系统、输入输出系统(I/O System)、自动化设备规范接口(ADS-Interface)以及自动化信息路由器(AMS Router)等组成。每台TwinCAT ADS设备都有各自不同的AdsAmsNetId和AdsPort(端口号)。AdsAmsNetId是TCP/IP地址的扩展。例如:一台PC的IP地址是192.168.2.10,则它的AdsAmsNetId就是192.168.2.10.1
30、.1,根据需要也可对AdsAmsNetId进行修改。每台ADS设备的AdsPort都各不相同且固定不变,而ADS客户端应用程序的AdsPort则是可变的。TwinCAT ADS访问变量有两种方式:地址寻址方式:一个PLC变量的地址包括GroupIndex和OffsetIndex两个部分。GroupIndex一般用于区别寄存器类型,在TwinCAT ADS设备中为常量。OffsetIndex为变量的偏移地址,即在PLC中为该变量的地址。变量名方式:在TwinCAT ADS设备中每个变量都有一个句柄(Handle),访问变量首先需要得到它的句柄。(2)TwinCAT PLC技术TwinCAT PL
31、C系统支持所有IEC11313编程语言。PLC任务可在中央处理器上执行,也可在分散的CPU上执行。TwinPLC控制系统支持多种语言,可实现模块化程序管理的结构化编程;对程序、数据和处理映像的状态进行在线显示;具有不受限制的定时器、计数器、内存量和程序长度等。3.3.3 执行机构主要器件选择执行机构接收和处理指令的准确性和快速性主要由构成该执行机构的各个执行器件决定,因此执行器件的选择是执行机构设计中的重点。本节将对本文所述控制系统的执行机构中的各个器件的选择及性能做一详细说明。(1) 嵌入式PC机嵌入式PC系统是指具有计算机功能但又不能称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心,软硬件可裁剪
32、的,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统,它具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等优点,这些优点使其特别适合于要求实时和多任务的控制体系中。由于本文所述系统要求具有实时性高,响应速度快等功能,所以在执行机构的设计中采用嵌入式PC系统作为执行机构的控制器。本文中的执行机构采用的嵌入式PC机是德国Beckhoff公司的CX1030,它采用了1.8GHz的CPU,具有相应速度快、可以模拟编程以及抗干扰能力强等优势37。通过网线可以与主控系统的计算机相连,结合EtherCAT可实现毫秒级的快速控制过程。嵌入式PC机CX1030结构如图3.11所示。图3.11
33、嵌入式PC CX1030(2) EtherCAT通讯模块本文所设计的控制系统中,上位PC机是通过以太网实现与执行机构间的通信。传统的以太网应用方案通常采用专用交换机,并采用精确的时间控制方式分配以太网报文。尽管这种方案能够比较快和准确地将数据宝传送到所连接的以太网点,但宽带利用率低,无法避免通讯总线传输的延迟,并不适合实时性和快速性要求高的控制场合。本文采用Beckoff公司的EtherCAT技术,实现上位PC机与执行机构间的通信。相对与传统的以太网应用方案来说,EtherCAT网络通信技术在网络性能上达到一个新的高度,1000个I/O数据的刷新时间仅为30微妙。通过一个以太网帧,可以交换高达
34、1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字I/O,而这一数据量的传输仅用300微妙。由于EtherCAT网络通信的高速性,保证了从控制台下达的指令被控制系统接收后,运动控制命令能迅速下达到每个电机驱动模块,充分确保实时性和快速性的要求。EtherCAT通讯模块如图3.12所示。图3.12 EtherCAT通讯模块(3) 伺服驱动器伺服驱动器,是用来控制伺服电机的一种控制器,主要应用于高精度的定位系统38。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制,实现高精度的传动系统定位。本文采用Beckoff公司的AX5106伺服驱动器,该驱动器集成了快速控制技术,支持高速、高动态定位任务
35、。AX5106可连接不同尺寸和类型的电机,位置控制环和速度控制环最快125微妙,力矩控制环最快31.25微妙,是与EtherCAT这种高性能的通讯系统和基于PC的控制技术的理想结合。AX5106伺服驱动器如图3.13所示。(4)伺服电机伺服电机,又称执行电机,是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可使控制系统的控制速度,位置精度非常准确,同时可以直接将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象39。伺服电机的转子转速由输入信号控制,并且能够快速反应,在自动控制系统中,普遍用作执行元件,并且具有机电时间常数小、线性度高等特性,它可以把所接收到的电信号转换为电动机轴上的角位移或角速度输出,
36、特别适应于控制精度和反应时间要求高的场合。本文采用Beckoff公司的AX3044伺服电机作为控制系统的执行电机。AX3044伺服电机如图3.14所示。AM3044伺服电机有极低的惯量、坚固的结构以及很强的过载保护能力。由于空气热阻高于环氧树脂,绕组采用了环氧树脂进行密封填充,以隔绝各导线之间的空气。这种做法能有效提高电机的机械弹性,如抗振性。AM3044通过改变脉冲信号实现对转子转速的大小和转向的控制,其优点是机械特性和调节特性的线性度好,控制回路的电感小,系统响应迅速,便于测试分析40。当接到脉冲信号后,电机就立即转动,脉冲信号消失,电机就立即停止转动41。AM3044伺服电机还具有几个独
37、特的技术优势:带有可旋转的插拔式连接器、电源和反馈插拔式连接器,整个机器的连线非常容易;压入式轴承的设计防止轴的轴向窜动;电机内采用的是高度对称结构,将齿槽效应降到最低,使公差远小于常规的电机,为运动控制系统的精度提供了保障。3.3.4 电机控制模式选择伺服电机是控制电机的一种,由于伺服电机应用的不同,它的控制方式也不同。一般伺服电机都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式,它们之间的不同如下所述: 转矩控制:转矩控制方式是通过对外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外输出转矩的大小,具体体现为如用10V对应于5Nm的话,那么当外部模拟量设定为5V时则电机轴的输出相
38、应为2.5Nm:可以设定电机轴的负载大于2.5Nm时正转,外部负载等于2.5Nm时不转,小于2.5Nm时反转。该种控制方式主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的设备中。 位置控制:位置控制模式一般是指通过外部输入的脉冲频率来确定伺服电机转动速度的大小,通过脉冲的个数来决定伺服电机转动的角度的控制模式,也有些伺服电机可以通过通讯方式直接对电机的转速和转角进行赋值。由于位置控制模式可以对电机的速度和转角都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置中。 速度模式:通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以对电机进行转动速的控制,在有上位控制装置的外环PID控制时速度控制模式也可以进行定位,但必须把直接负
39、载的位置信号或电机的位置信号反馈给上位控制系统以做运算用。在本文所设计的控制系统中,在控制摄像机器人运动时,是将柔索的变化量和速度转换成脉冲数和脉冲频率来控制伺服电机转动的角度和转速,所以本文选用的伺服电机采用位置控制方式来决定它的运动,进而用于准确映射摄像机器人的运动速度。第六章 总结与展望6.1 总结本文是以国家自然科学基金,课题“高速柔索牵引摄像机器人机动性与稳定性研究”为背景,从实际应用角度出发,研发了一种高精度索牵引运动控制系统,用以实现空间内对摄像机器人机位的自由控制以及固定拍摄和动态拍摄等模式。本文详细说明了柔索牵引摄像机器人控制系统的设计过程,提炼出了关键技术并通过实验验证所设
40、计系统的合理性。现将本文完成的各项具体工作总结如下:(1)构建了摄像机器人的运动学模型;选择了摄像机器人的控制模式;基于对运动学模型和速度控制模式的分析及相关运动方程的推导,得到了摄像机器人在控制过程中运动速度的求解方法和速度规划方程;在此基础上,提出摄像机器人控制系统的总体设计方案。(2)分析了控制台的功能需求,基于控制台所要实现的功能选择了合适的电器元件并设计了电路的主要模块;依据执行机构的组成及功能,概述了执行机构的控制系统,选择了执行机构的主要器件以及详说明了各器件的性能,对比了伺服电机的控制模式并选择出适合该系统的控制模式。(3)介绍了上位机软件的开发语言和开发环境,概述了上位机软件
41、功能,并根据该功能开发出了各个主要功能模块,提炼出开发过程中使用的关键技术;结合上位机软件,设计出适合上位机与控制台、上位机与执行机构间的通信连接模式。(4)给出了控制系统的硬件连接和软件配置的详细过程;根据实验步骤和策略进行了控制系统的控制实验,结合仿真软件,对得到的控制结果予以分析;对比分析结果和预期设计目的,发现两者吻合度良好,从而验证了所设计的控制系统的合理性和有效性。6.2 展望局限于时间和作者个人的认识水平,本文的研究工作还有很多不足之处,论文中所设计的控制系统尚有一些问题需要进一步的深入研究,主要包括以下几点:(1)本文所设计的控制系统只是实际系统的五米缩比模型,其设计思路和方法可以运用于实际模型的建立,但在搭建实际模型时需要结合现场情况对控制系统进行更多的实验验证以满足实际控制系统的需求。(2)五米模型上的实验结果和数据表明摄像机器人的实际运动情况与理论值还存在一定的偏差,后续工作者可以尝试从摄像机器人的运动控制方法和电机的控制模式等方面进行分析,以获得更高的控制精度。(3)在上位机软件方面,可视化界面的设计可以作进一步的优化,也可以根据现场实际去除一些多余的功能而添加一些更实用的功能,从而方便操作人员的使用和用户的观
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