基于主从多机通信的机器人控制系统开发

控制技术

收稿日期:2010204206;　修回日期:2010205214。基金项目:国家自然科学基金项目(60974125)。

作者简介:韩庆瑶(19532),男,博士,教授,主要从事机电控制及自动化方向的研究。

文章编号:167124598(2010)1122524203　　　　　　　中图分类号:TP36812

文献标识码:A

基于主从多机通信的机器人控制系统开发

韩庆瑶,徐　瑾,朱晓光

(华北电力大学机械工程系,河北保定　071003)

摘要:为了实现对机器人的实时控制,要求主控制器与各个感应机构和执行机构之间高效稳定的通信;对机器人控制系统的开发,需要设计一种满足实时性和高效性要求的多机通信系统;控制系统采用二级分布式结构,主控制器作为上位机,各传感器和电机内置的微处理器作为下位机;基于AVR 单片机的主从多机通信方式,利用半双工的异步串行方式通信;这种数字化的通信方式具有高效、稳定的优点,可以大大简化控制程序的开发;实验证明,应用这种控制系统的小型机器人具有灵活性高、开发周期短且稳定性高的特点。

关键词:主从多机通信;半双工;PWM 电机控制

Development of Robot Control System B ased on

Master -slave Multi -processer Communication

Han Qingyao ,Xu Jin ,Zhu Xiaoguang

(Department of Mechanical Engineering ,North China Electric Power University ,Baoding 　071003,China )

Abstract :In order to control t he robot in realtime ,it demands an effective and steady communication among t he main cont roller ,t he sensors and t he motors.Therefore ,t he development of t he robot control system needs to design a multi -processer communication system which could meet t he demands of realtime and effective control.The control system in t his paper uses t he second -level distributional struc 2ture.The main controller is used as t he superior processer and t he microprocessors in t he sensors and t he moters as t he lower position proces 2sers.To control t he robot ,t he main controller communicates wit h t he slave MCU s t hrough t he half duplex asynchronous serial port s based on master -slave multi -processer communication.This met hod could simplify t he design of t he program in t he main controller and improve t he development of the robot.The experiment proves that the robot with this control system has higher flexibility and stability and less develop time.

K ey w ords :master -slave multi -processer communication ;half duplex ;PWM moter control

0　引言

为了满足机器人控制的高效性和实时性要求,机器人的控

制系统往往具有很高的软硬件配置。在机器人性能提高的同时,机器人的体积、质量和功耗也相应增加。对于小型机器人而言,由于其布局和总质量的,不可能携带大量的元器件和处理单元。另一方面,小型机器人同样要完成运动控制,事件处理,路径规划等方面的工作。因此设计出高性能,低功

耗,小体积的控制系统成为小型机器人设计的关键技术之一。

根据这一要求,本文设计了一种基于AVR 单片机多机通信方式的控制系统。这种单片机具有高性能、低功耗的特点,被广泛应用于小型机器人的设计当中。

1　控制原理

机器人对外界环境的感知和运动控制是通过一系列传感器

和电机来实现的。分布在各处的传感器采集信息并送入主控制芯片,然后由主控制器对多个传感器返回信息进行综合分析与判断,进而控制各个电机完成相应动作,这一过程如图1所示。

在传感器模块内部集成了单片机,用于接收主控制器发来的指令并根据指令读取相应传感器的参数,然后返回相关参数

图1　机器人控制系统示意图

(如距离、温度、亮度等)。在各个控制电机内,同时集成了单

片机,功率放大器,光电编码器。其中单片机用于接受主控制器指令,产生PWM 电机转动信号,读取电机当前位置、状态、负载等信息,并将相应信息返回主控制器。

这一设计把各个功能封装于相应的模块中,传感器模块和电机都成为的单元。在控制机器人运动时,主控制器只要发出读取或发送相关参数(如电机转速、目标位置等)的指令,具体的实现由各个下位机来完成。因此,机器人控制的关键技术也就转化为主控制器与各个单元内的控制器之间的通信问题。通信的速度和稳定性,也将决定机器人控制系统的性能。

2　硬件设计

211　接口与供电

控制器与电机的接口都为三帧,分别为:电源(Vcc )、

第11期韩庆瑶,等:基于主从多机通信的机器人控制系统开发　・2525・　

地(GND )和数据(Data )。连线时从主控制器出发,依次连接1号电机,2号电机,……,n 号电机,将控制器与所有电机串接在一起。

系统由外部供电,12V 直流电源连接到主控制器,再由主控制器向各个电机供电。所有电机的电源端、地端、数据端都分别连接在一起,即控制器与各个电机都并联接在12V 电源和地之间。电机与控制器的连接如图2所示

。

图2　电机与控制器连接示意图

212　串口多机通信

在机器人控制系统中,主控制器作为唯一的主机,其它数

字电机都作为从机,各电机之间没有直接通信。基于这一工作模式,系统选用基于异步串行通信的主/从多机通信方式。在主/从式多机通信系统中,主机发送的信息可以传送到指定的从机或所有的从机,而从机发送的信息只能被主机接收,各从机之间不能直接通信[1]。在这一系统中,需要对每个从机定义一个从机地址,另外还可以使用一个公共的地址,比如FF 代表所有从机。这一系统可以如图3所示

。

图3　主/从结构多机通信(T TL )连接图

图3是典型的主/从结构的多机通信连接的结构图。图中最左边的设备是主控制器,其它为从机设备。该图的连接方式是基于T TL 电平的,即所有设备都直接使用USAR T 接口的

RXD 、TXD 信号线。由于本文涉及的机器人为教学用演示机

器人,体积较小,各电机之间的距离不超过015米,因此可以直接采用点对点的连接方式,无需电平转换。

图中的二极管主要起隔离作用。因为当某一个从机发送数据时,其它从机的TXD 为高电平空闲状态。为防止主机RXD 上的信号被空闲从机的TXD 端拉高,需要二极管对各从机

TXD 端进行隔离[2]。213　半双工通信方式

由于所有的从机都并联在主机的TXD 和RXD 端,任意时刻只能有一个从机向主机返回应答信息,通信采用半双工方式。半双工方式的通信原理如图4所示。

如图4所示,在控制器上选取某个通用输入输出口作为方向控制口。任意时刻只有一个三态门导通,另一个三

态门则处于高阻状态,起到隔离作用。通过这种方式实现主从机之间的半双工通信。当主机发送数据从机接收时,主机方向控制口输出高电平,选中从机的方向控制口输出低电平。则主机的TXD 与指定从机的RXD 相连,实现数据的单向传输

。

图4　半双工通信原理

3　软件设计

311　控制器与电机通信协议

主控制器与电机通信是通过串口发送一系列包含控制或状态信息的数据串来实现的。其中主控制器发送给电机的为指令信息,电机返回给主控制器的应答信号为状态信息。这一过程如图5所示

。

图5　主控制器与电机通信

312　多机通信软件设计

Atmega 系列单片机专为串口通信设定了多处理器通讯模

式,利用第9个数据位来区分地址或数据。第九位数据

(TXB8)为1,表示发送的是地址信息。TXB8=0则表示发送数据信息[3]。采用9位数据帧的多机通信方式,具体数据交换过程如下:

(1)在从机中设置串口通信控制和状态寄存器UCSRA 中的MPCM 为1,所有从机工作在多处理器通信模式。MPCM 置位后,USAR T 接收器接收到的那些不包含地址信息的输入都将被忽略;

(2)通信开始始于主机发送一个地址帧(TXB8=1),所有从机接收这一数据,接收结束标志位(RXC )置位;

(3)从机MCU 读UDR 寄存器,并判断是否被主机寻址。如果被寻址,清MPCM 位,准备接收数据。否则保持MPCM 为1,忽略主机随后发送的数据帧,直到主机再次发送地址帧[425]。数据传输过程主从机流程图如图7和图8所示。

313　PWM 电机控制

下位机在接收到电机转角或转速信息后,利用16位定时计数器1(T/C1)的相位修正PWM 模式对电机进行控制。串口数据接收完毕后,下位机处理程序的流程图如图8所示。

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卷

图6　

主机串口通信流程图

图7　从机流程图

4　控制系统验证

依据这一控制系统的设计方法制造的小型教学演示用机

器人,具有良好的开放性。可以分别组装成不同类型的机器人,如避障小车、双足机器人等。由于传感器与电机的具体控制程序已经封装于下层单片机中,因此在改变机器人的组装方式时,只需根据机器人的不同功能做适当修改而无需重新设计全部控制程序,大大简化了控制程序的开发。另一方

面,与以DSP 等处理器为核心的复杂控制系统相比,本文中的机器人控制系统具有体积小、重量轻、功耗低及成本低的优点。虽然在处理速度和复杂度上不如大型机器人,但作为小型教学演示用机器人,8位高速的AVR 单片机已经完全满足要求。实验证明,应用这一控制系统的机器人小车可以有效自主避障。同时这一设计也可应用于一类小型机器人中

。

图8　从机数据处理程序流程图

5　结束语

本文设计了一种基于AVR 主从多机通信模式的小型机

器人控制系统。应用这一设计的机器人控制器具有结构简单,体积小及重量轻的优点,有助于提高小型机器人的灵活性。在进行机器人软件程序设计时,无需考虑具体的PWM 的实现过程,大大降低了主程序的复杂度,加快了开发进程。基于这一设计方案制造的避障小车可以成功实现教学与演示的工作。

参考文献:

[1]马　潮.AVR 单片机嵌入式系统原理与应用实践[M ].北京:北

京航空航天大学出版社,2007.

[2]沈建良,等.At mega128单片机入门与提高[M ].北京:北京航

空航天大学出版社,2009.

[3]李文明,张　涛,郑丽娜.基于主从多机通信控制器的设计与实

现[J ].计算机测量与控制,2008,16(5):6572659.

[4]黄建平,周新一,谢可夫.基于PC 机的主从式多机通信网络

[J ].计算机工程与应用,2004,11:1992200.

[5]李　俊,毛罕平.多机通信技术的研究及其在分布式温室监控系

统中的应用[J ].计算机工程,2003,29(16):1482150.

(上接第2516页)

[3]杨伟清,王化祥.智能电气阀门定位器的参数自整定[J ].电子

测量技术,2008.1(31):39242.

[4]Soehartanto T ,Kaustar L ,Suyanto.Auto tuning valve positioner

on process cont rol training (PCT )base on PC [J ].IEEE Circuit s and Systems ,2002,(2):3532356.

[5]Sorli M ,Figliolini G ,Pastorelli S.Dynamic Model and Experimen 2

tal Investigation of a Pneumatic Proportional Pressure Valve [J ].

IEEE/ASME transactions on mechatronics.2004(9).78286.[6]Huang W ,Zhao Z L ,Zhao Y X ,et al.Dynamic characteristic re 2

search for piezo pneumatic intelligent valve positioner [A ].20083rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications [C].2008,6652669.

[7]Shinskey F.G.Process Control Systems -Application ,Design ,

and Tuning (3rd Edtion )[M ].北京:清华大学出版社,2004.[8]Ellis G.Control System Design Guide [M ].2006.