（机械制造及其自动化专业论文）轮式移动机器人的无线数据传输与监控平台的研究.pdf

摘要 论文题目：轮式移动机器人的无线数据传输与监控平台的研究 学科名称：机械制造及其自动化 硕士生：邵展鹏 指导教师：黄玉美教授 签名：盈舷醴 签名：差王：萎 摘要 本文结合自主开发的轮式移动机器人，主要针对轮式移动机器人的无线数据传输与监 控进行了研究，提出了基于微功率短距离无线通信技术的数据传输方案，并对该方案实现 所涉及的系统架构，各部分功能实现和关键技术进行了深入的研究与实践，提出了自己的 见解。 首先对轮式移动机器人的运动结构以及计算机控制系统进行了简要的论述，以这为基 础引出了其无线通信子系统建立的必要性与所需要解决与研究的问题，由此建立起无线通 信子系统的总体模型。然后提出了适合轮式移动机器人的无线数据通信系统的解决方案， 并进行了无线数据传输平台各模块的硬件设计，其硬件设计满足通信距离、通信速率、抗 干扰、低功耗等要求。接着在无线通信系统的链路层建立了差错控制协议与链路管理机制， 这包括流量控制、差错控制、链路管理等，其中重点分析了两种数据重发协议的可靠性与 效率问题，即停等a r q ( s w a r q ) 与连续a r q ( g b n a r q ) 协议，提出了适合本通信系 统的连续a r q 协议与对等式链路管理协议来确保通信数据的可靠性，另外通过建立通信 系统的内部状态转换，有效地加强了协议运行和无线链路的稳定性。在差错控制与链路管 理建立的基础上，采用本文所提出的连续a r q 协议与链路管理机制，设计了无线通信系 统的底层驱动程序和软件算法，给出了软件实现的关键数据结构与函数，同时通过实验得 到软件的关键配置参数。最后进行了数据传输的可靠性实验，结果表明其误码率满足应用 要求，可用于轮式移动机器人的数据传输与监控。 关键词：轮式移动机器人，无线通信，协议，数据链路层，a r q 论文的研究得到了陕西省教育厅重点研究项目自主自动导航车开发的资助。 a b s t ra c t s t u d yo nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d r e m o t em o n i t o rp l a t f o r mo ft h ew h e e l e dm o b i l er o b o t s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n a u t h o r ： t u t o r ： z h a n p e n g s h a o s i g n a t u r e ：趣掣驾盛 p r o f y u _ m - h 响n gs i g 响t u r e 净脚 a b s t r a c t b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o no ft h ew h e e l e dm o b i l er o b o t ，t h e s t u d yo ft h i sp a p e rf o c u s e so nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dr e m o t em o n i t o ro ft h em o b i l e r o b o ta n dp r o p o s e st h a tt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nb a s e do nt h em i c r o p o w e r s h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e st h ek e y t e c h n o l o g y , s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o ni m p l e m e n to fe a c hp a r t sr e l a t i n gt ot h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n , a n dp u tf o r w a r d so w n o p i n i o n f i r s t , d r i v i n gs t r u c t u r ea n dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fm o b i l er o b o t a r ep r e s e n t e ds i m p l y b a s eo nt h ea b o v ep r e s e n t a t i o n , p r o b l e m sn e e d e dt ob er e s o l v e di nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma r ep u tf o r w a r d , a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sb u i l t t h e n , t h i sp a p e r p r o p o s e dt h a tb e f i t t i n g s o l u t i o no ft h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o na c c o r d i n gt od a t a t r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n to f t h ew h e e l e dm o b i l er o b o t ，a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to f e a c h p a r ta b o u tw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r m t h i sh a r d w a r ep l a t f o r mm e e t sr e q u i r e m e n to f t h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e ，r a t ea n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , l o w - p o w e r a r e rt h eh a r d w a r e p l a t f o r mi sc o m p l e t e d ，e r r o rc o n t r o la n d l i n km a n a g e rp r o t o c o li nd a t al i n kl a y e r , i n c l u d i n gf l o w c o n t r o l ，e a t o rc o n t r o la n dl i n km a n a g e m e n t ，a r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r m a i n l y , s t o p w a i ta r q ( s w a r q ) p r o t o c o la n dg o b a e k - na r q ( g b n a r q ) p r o t o c o la r er e s e a r c h e da n d d e s c r i b e dd e e p l y , b a s eo na b o v ep r o t o c o lt h e o r i e s ，e f f e c t i v ed a t ae x c h a n g ep r o t o c o la n dp e e r l i n km a n a g e rp r o t o c o l ( l m p ) a r ea d o p t e di nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t y o fd a t ac o m m u n i c a t i o n i na d d i t i o n a l ，b yb u i l d i n gi n t e r n a ls t a t et r a n s i t i o no fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，s t a b i l i t yo fd a t ae x c h a n g e ( p r o t o c 0 1 ) r u n n i n ga n dd a t a - l i n ka r ee n f o r c e de f f e c t i v e l y f i n a l l y , b o t t o m c o m m u n i c a t i o nd r i v e ra n ds o f t w a r e a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n o ft h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ed e v e l o p e da n dp r e s e n t e di nd e t a i l ，s o m ek e yi m p l e m e n t i n gf u n sa n d d a t as t r u c t u r e sa r es h o w na n ds o m ek e yc o n f i gp a r a m e t e r so ft h es y s t e ms o f t w a r ea r ef o u n db y e x p e r i m e n t s a te n do ft h ep a p e r , b yt h er e l i a b i l i t ye x p e r i m e n t so fd a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h e r e s u l ts h o w st h a tf r a m ee r r o rr a t e ( f e r ) i se x t r e m e l ys l o wa n dm e e t st h er e q u i r e m e n to fd a t a i i i x i a n i 价v e r s n y o f t e c h n o l o g y c o m m u n i c a t i o na n dr e m o t em o n i t o ra p p l i c a t i o no f t h ew h e e lm o b i l er o b o tc o m p l e t e l y k e y w o r d s ：w h e e l e dm o b i l er o b o t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , p r o t o c o l ，d a t al i n kl a y e r , a r q 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：銎麈二堕加7 年争, 9 3 日 学位论文使用授权声明 本人殛赴照在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：磴幽导师签名：型! ：乏刁年中月) 日 l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等功能于一体的智 能体，能按照预先给定的任务指令，根据己知的地图信息作出全局路径规划，并在进行中 不断感知周围的局部环境信息，自主地作出各种决策，自动避开障碍物，引导自身安全行 驶到指定的目标，执行要求的动作与操作。移动机器人可广泛应用于工业制造，国防、航 空航天以及服务性行业，如在工业上危险地区的作业、一些人类本身所不能进入的有毒或 高温的作业中有着极其广泛的应用前景。最成功的应用是作为自动化生产系统中的物 料运送装置，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送。由于移动机器人的运 动灵活，大大增强了生产系统的柔性和自动化程度等。 信息技术的迅速发展对其他技术会发生很大的影响。随着通信网络技术的快速发展， 近年来，在移动机器人的研究领域里，基于无线通信方式控制移动机器人方面有着巨大的 潜力和应用。 在工业现场中，往往分散有较多的控制单元，通常使用现场总线的方式进行组网设计， 实现数据的交换与网络控制，而a g v 主要用于工业制造方面，进行自动化生产制造单元 间加工物料的运送，其运动的灵活性增强了生产系统的柔性与自动化程度。这就存在无法 靠“有线”方式进行组网连接的问题i 2 1 t 而且为了实时地了解a g v 的运行状态，就必须 靠无线方式与a g v 进行数据的通信。利用无线通信网络，机器人可去掉随身的载体线路， 可方便、自由地进入复杂环境，并且可以方便地对轮式移动机器人进行数据采集与监控。 轮式移动机器人在工作运动中涉及到各种信息的采集与获取，而获取外界环境信息的 设备包括其上的超声波、陀螺仪、电子罗盘等传感器，这些传感器可以测量轮式移动机器 人的位置姿态与环境信息，如何远程并可靠地获取这些数据与信息，并根据这些信息达到 对轮式移动机器人进行环境检测与导航控制是本文研究的重点。 利用无线通信面临的难点还是很多，无线通信方便了移动机器人的数据传输，但在引 入优点的同时也带来了一些无线通信所特有的问题，主要有无线信道的不可靠、无线信道 的动态随机衰减特性、抗干扰能力弱等。所以最关键在于如何保证数据传输的可靠性与实 时性，往往需要在传输效率、协议健壮性与系统开销之间进行协调，达到之间的一个最优 化，这也是本文竭力希望解决的问题。 总之，对于轮式移动机器人的无线数据传输的研究，目前的相关应用比较少，特别是 在无线通信环境下，本课题有着重要的研究意义。 1 2 短距离无线通信 对于轮式移动机器人究竟采用何种通信方案，需要对目前的短距离无线通信实用技术 进行比较，选用适合本文所研究的轮式移动机器人( a u t og u i d ev e h i c l e ) 的无线方案。目 西安理工大学硕士学位论文 前的短距离无线通信主要有：红外技术、蓝牙技术、8 0 2 11 b 无线局域网标准技术、微功 率短距离无线通信技术等。现简介如下： 1 2 - 1 红外技术 红外通信技术采用人眼看不到的红外光传输信息。它利用红外光的通断表示计算机中 的0 - 1 逻辑，通常有效作用半径2 米，发射角一般不超过3 0 度，传输速度可达4m b w s 。 1 9 9 5 年i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 将通信速率扩展到高达1 6 m b i t s ，红外技术采用点 到点的连接方式，具有方向性，数据传输干扰少，速度快，保密性强，价格便宜，因此广 泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，p d a ，移动电话等移动设备，但红外技术只限于两 台设备通讯，无法灵活构成网络，而且红外技术只是一种视距传输技术，传输数据时两个 设备之间不能有阻挡物，有效距离小，且无法用于边移动边使用的设备“。 1 2 _ 2 蓝牙技术 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它采用无线电射频技术实现设备之间的无线互 连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式 将它们连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以形成分布式网络，从而方便，快 速地实现各类设备之间的通信1 4 j z 蓝牙技术使用2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys c i e n c e m e d i c i n e ) 频段，具有全球可操作性，最大传输率1 m b i t s ，当发射功率为l m w 时，有效 距离小于等于1 0 米，适合于鼠标，键盘等短距离设备，当功率为1 0 0 r o w 时，适合于移 动电话，笔记本电脑等经常变动环境的设备。它采用跳频扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p r e c t r u m ) 技术，具有非常可靠的数据和语音传输能力。蓝牙芯片尺寸小，功率低， 其应用越来越广泛。但一个微微网同时连接的设备个数不能多8 个，当多于8 个时只能通 过建立多个微微网，利用跨两个微微网的设备进行连接，会造成网速下降。蓝牙技术更强 调设备之间的连接，而不是客户机与服务器之问的连接，并且蓝牙技术尚无国际标准，只 有蓝牙利益集团制定的行业标准。 1 2 38 0 2 1 1 b 技术 i e e e 8 0 2 1 l b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频段，协议 主要工作在o s i 的物理层和数据链路层，其物理层支持5 5 m b i 以和1 1m b i t s 两种速度， 采用直接序列扩谱d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s f i e e t r u m ) 技术进行调制解调，增强了抗干 扰能力，提高了传输速度，并使用动态速率漂移，数据传输速率可根据环境在11m b i t s ， 5 5 m b i t s ，2 m b i t s ，1 m b i t s 之间自动切换，有效通讯距离1 0 0 - 3 0 0 米1 2 1 08 0 2 11 无线 网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上a p ，就可以提供无线网络服务，终端 设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，免除了 布线的麻烦。8 0 2 1 l b 具有有线等价保密机制w e p ( w l r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 确保数据安 全，以及具有穿透能力、全方位传送、建网速度快的特点，可用来组建大型无线网络，运 2 1 绪论 营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐。目前此种设备还 比较昂贵，妨碍了其推广和应用。 1 2 4 微功率短距离无线通信技术 它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通 用无线通信模块，一般射频芯片采用f s i ( g f s k 调制方式，工作于i s m 频段，通信模块 一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工 作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因其 功率小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速度、流量都较小，较适合搭建小型网络。 在工业，民用领域使用较广。 通过上面各种短距离无线通信技术的论述，其主要性能及区别如下表1 1 所示： 表1 - 1 短距离无线通信技术性能比较 t a b l e1 - 1t h ep e r f o m m c ec o m p a r i s o no f s h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 通信技术红外技术蓝牙技术 8 0 2 1 l b 微功率短距离技术 通信距离 1 删 1 0 0 m 3 0 0 9 3 0 0 m 通信频率红外频率2 4 0 h z2 4 0 h z9 6 0 8 鹤4 3 3 毗1 z 开发难易易 难难 易 通信方式红外蓝牙8 0 2 1 l b f s k g f s k 通信速率 1 0 m b s l 岫s 2 m b s 1 0 0 k b s 模块成本很低高很高低 1 2 5 轮式移动机器人的通信方案 在上述的几种短距离无线通信方式中，从其特点与区别显然可知红外与蓝牙短距离无 线通信方式并不适合移动机器人的数据传输应用，而8 0 2 1 i b 无线局域网与微功率短距离 无线通信技术这两种是比较适合本文所研究的轮式移动机器人。8 0 2 i l b 是一种成本高、 实现复杂的无线通信方案，适合于大型的无线网络。对于a g v ，由于其体积限制与数据 传输量较小，采用微功率无线通信方案是比较适合的，且较为灵活，另一方面为了使a g v 能够并入工业网络总线，可采用工业无线局域网对a g v 上位管理机进行组网，a g v 监 控主机与a g v 之问采用微功率无线通信方案，如此a g v 监控主机可对a g v 与工业总线 进行应用层的集成，即通过o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 用于过程控制的o l e ) 进 行基于p c 的客户机之间交换实时数据。其网络结构如图1 - 1 所示。 西安理工大学硕士学住论文 图l l 轮式机器人的通信网络 f i 9 1 1a g v c o n m a m i c a t i o nn e t 1 3 本文的研究与工作 本文主要完成上面网络结构中的a g v 监控主机与a g v 之间的无线数据通信这一部 分，包括其无线通信平台实验硬件的设计，以及无线通信协议的设计，并在此基础上开发 出无线通信的实现软件。 主要内容安排如下： 第一章主要介绍论文的研究背景意义，轮式移动机器人的通信方案及主要的研究内 容。 第二章是针对本文的应用对象a g v 轮式移动机器人，对其运动结构及计算机控制系 统做了一个总体的介绍。作为本文的应用对象，首先需要知道a g v 的运动方式与控制系 统结构，才能选择合适的通信方式与接口的设计。在此基础上，提出了a g v 的通信子系 统的方案与实现所面临的问题与要求，并建立了无线通信网络的整体模型。 第三章论述了无线通信系统各模块硬件设计和功能实现。包括m c u 主控模块、射频 模块、接口设计等。 第四章详细论述了通信系统数据链路层的差错控制和相应的协议设计。轮式移动机器 人的通信是在无线网络的环境，差错控制及可靠的数据链路是其关键问题。在本章中，对 差错控制协议与链路管理进行了详细的论述，并提出了可靠的数据传输协议与链路管理方 法，以此来保证数据传输的可靠性与稳定性。 第五章编写了通信系统的硬件底层驱动与链路层差错控制协议软件的实现，并通过实 验得到软件的关键配置参数，最后在不同的距离下进行了数据可靠性、速率的测试实验， 并与上位机软件进行数据通信的测试。 最后对全文做了个简单的总结，并提出了本研究内容需要进一步研究的工作与提高的 地方。 4 2 轮式移动机器人的结构及计算机控制系统 2 轮式移动机器人的结构及计算机控制系统 2 1轮式移动机器人驱动结构及分类 轮式移动机器人也称自动导航小车( a g v ) ，是自动化制造系统中不可缺少的重要设 备，它主要用于物料的运送与装卸。它对于环境具有良好的适应性，并且运行路线的更改相 对于其他物料输送比较容易。 轮式移动机器人按本身运动所具有的自由度划分，常见的有3 - t i r ( 三个自由度，包 括x 、y 方向的平动及绕垂直轴线z 轴的旋转运动) 类型，2 - t r ( x 方向或y 方向的平动 以及绕z 轴的旋转运动) 类型等。而按驱动转向方式划分，有操舵转向、差速转向、复合转 向。轮式移动机器人不同的驱动转向方式决定了其不同的运动控制方式，最常见的为操舵 转向和差速转向。 我们实验室自主开发有操舵转向和差速转向这两种转向方式的a g v ，见图2 - 1 ，为操 舵转向方式的a g v ( s o c z 2 0 0 5 5 ) ，它的驱动方式见图2 - 2 ，其前轮是复合转向轮( 由 图2 一l 操舵转向三轮a g v f i g 2 1c o m p o u n dt u r n i n gt h r e e - w h e e la g v 自 图2 2 三轮a g v 的驱动转向方式 f i 9 2 2t h r e e - w h e e ls t e e r i n ga g v 西安理工大学硕士学住论文 行走电机和操舵电机组合而成) ，既用作转向，又作为驱动行走轮，后面两个轮子为自由 轮，起支撑作用。此种驱动转向方式的轮式移动机器人无横向运动能力，即为2 1 r 型。 结构简单，运动灵活，但承载能力较弱，这种轮式移动主要用于拖运物料。 实验室的另一种轮式机器人( x 棚1 认g v l 0 0 ) ，如图2 3 ，转向方式为差速型，它的 驱动方式示意见图2 - 4 ，前后两轮为自由轮，随着车体的速度方向可四个方向随意摆动， 左右两轮为驱动轮，位置固定不能左右摆动，其车体的转向依据左右驱动轮的速度之差而 定，这种驱动方式的机器人具有绕自身中心零半径回转的特点，在狭窄场合可以改变机器 人姿态，而且控制简单，具有较好的稳定性与承载能力，在物流中应用更加广泛。 图2 - 3 两轮差速驱动 g v f i g 2 - 3t w o - w h e e l - d i f f e r e n t i a l - d r i v e a g v 本文所研究的无线通信系统就是以下图所示的差速移动机器人为实验装备所完成的， 其设计参数见表2 1 。所以下面的讨论就以差速型轮式机器人为重点，着重讨论它的运 动控制系统与通信接口，以及引出其无线通信的实施方案。 6 图2 _ 4 两轮差速驱动的转向方式 f i g 2 _ 4t w o - w h e e l - d i f f e r e n t i a l - d r i v ea g v 2 轮式移动机器人的结构及计算机控制系统 表2 - 1 两轮差速a g v 的结构参数 t a b l e2 - it w o - d i f f e r e n t i a l - w h e e la g vs t r u c t u r ep a r a m e t e r l 长x 宽高度 自重 车轮直径载重量最大速度连续工作时间操纵 l ( 。m 。m )( c m ) ( k g ) ( c m ) ( k g ) ( m m i n )( h )方式 l 。z o 8 02 81 4 02 01 0 06 08 手动+ 自动 2 2 轮式移动机器人的运动控制 2 2 1 轮式移动机器人运动控制的硬件组成 ap m a c 控制卡介绍 运动控制系统作为轮式移动机器人的控制核心，须采用准确高效的，多轴控制的运动 控制器，才能达到准确、稳定的控制。进入9 0 年代以后，由于d s p 的高速数据处理与运 算能力，以及高度的集成化，以d s p 技术为核心的多轴运动控制技术得到了很快的发展。 我们选用了美国的d e l t a t a u 公司的多轴运动控制卡p m a c 作为a g v 的运动控制系统的 核心。 p m a c 全称可编程多轴控制器，是一个完全开放式的系统，采用2 4 位高性能数字信 号处理器d s p 5 6 0 0 1 作为c p u ，具有很大的灵活性，可以同时独立控制l 8 根轴。具有 丰富的扩展模块卡，如扩展帕，增加刖d ，d a 或者输出电压，频率转换。p m a c 共有4 种硬件形式：p m a c p c ，p m a c 1 i t e ，p m a c - v m e 和p m a c s t d ，这些卡在外形、通讯 总线、端口和性能方面都会有所不同。任何型号的p m a c 卡既可以以脱机方式运行， 又可以通过所提供的总线接口或串行接口( u s b ，r s 2 3 2 ) 用一台主机来控制它运行，所以 p m a c 可以作为控制器单独运行，在一定意义上就是一台完整的计算机，能够完全独立 处理存储的程序，进行实时多任务处理，能够定义任务优先级，使得控制实时性得到很好 的保证。 b 硬件组成 由于轮式移动机器人的运动性和其内部体积的限制，我们选用p m a c 2 p c i 0 4 型号控 制卡和一个扩展卡( a c c i p ) 作为a g v 的主控方案，可以独立安装与运行，方便灵活、 占用面积小、外围接口电路简单，与p c 上位机的通信方式采用串行通信接口r s 2 3 2 。其 运动控制系统硬件组成如图2 5 所示，其功能如下所述： 差速转向轮式移动机器人( a g v l o o ) 的运动控制是以美国的d e l t a 公司的运动控 制卡( p m a c 2 一p c i 0 4 ) 为核心控制器，通过扩展卡可实现同时控制4 轴，主要完成运动 算法，发出控制指令对左右两驱动电机的控制，并通过两个反馈通道输入脉冲编码器信号 形成闭环控制。p ：a m c 运动控制卡同时具有数据采集与p l c 功能，其丰富的外围接口加 上传感器电路可以对控制对象的外部信息进行采集和判断，达到准确的控制对象。如图 2 5 是a g v 控制系统组成。p m a c 的外围接口j o p t 为通用型8 路通用数字输入输出接 7 西安理工大学硕士学位论文 口，用于对a g v l 0 0 的面板状态指示灯，接触器的控制；j m a c h l 接口为控制卡与控制 轴的连接口，具有放大器模拟输出、a d 转换输入、编码器反馈、伺服使能和报警、卡的 面板控制键( 手动移动 键，运行，复位键) 报警灯。复位运行指示 灯，接触器控制等开关量 r s 2 3 2 串行通讯接口 选u s b 嗡尹e 控制卡广一 j m a c h i 接口 模拟开关量超声波传感 器，陀螺仪模拟量输入 讯接口 图2 - 5 g v 控制系统总体组成 f i g 2 - 5c o m p o s i n go f a g vc o n 岫ls y s t e m j m a c h 2 接口 伺服放大ll 伺服放大 左驱驱 | l 右轮驱动 动电机i l 电机 反馈通道l 一编码器反 电源供给等。j m a c h 2 接口同样为控制卡与轴的连接口，具有脉冲和方向信号输出，正 负限位及回零信号，看门狗的报警输出等。眦c h 2 通过2 路输出脉冲信号与左右电机 的驱动器相连，其编码器的反馈通过j m a c h l 编码器反馈通道输入给控制卡。j t h w 为 多路i o 扩展接口，具有8 路r r l 电平输入输出线，a g v l 0 0 的面板控制按键( 运行键， 复位键，手动运动键) 与此接口连接。a g v l 0 0 的通信采用r s 2 3 2 串行通信接口与上位 机进行数据交换，上位机通过此通信接口可进行一些a g v l 0 0 相关的数据采集( 外围传 感器，控制卡的内部配置信息) ，从而了解a g v l 0 0 的运行状态。 2 2 2 运动控制软件系统 a g v 运动控制软件系统其实就是基于p a m c 控制卡的软件系统，故在此就是讨论 p m a c 的软件开发环境。作为a g v 运动控制器，p m a c 可以运行2 种程序：运动程序和 p l c 程序。运动程序可以被一个或多个坐标系执行，也可被其他程序调用。p l c 程序用 来处理模拟和数字输入、输出，传送数据，改变参数，后台扫描等。 8 兰一 2 轮式移动机器人的结构及计算机控制系统 p m a c 控制卡提供了丰富的软件编程指令，类似于高级语言，可以进行用户需要的 运动控制程序的设计和后台p l c 程序的设计。p m a c 自身提供的w i n d o w s 下的编程环 境p e w i n 3 2 ，在其中可进行参数设置，发送在线命令，获取电机状态及运动程序和p l c 程序的编辑，编译和下载。 p m a c 也可在v c + + ，v b 环境下进行控制系统软件的二次开发，利用p m a c 提供的 软件开发包，调用动态链接库进行系统软件的开发。 ap i v i a c 控制卡中的变量 在p m a c 中，用户不可以定义自己的变量名，p m a c 中定义了四种类型的变量： i 卫q ，m 变量，变量是由字母后跟随的0 - 1 0 2 3 的数字组成，所以每种类型变量都是1 0 2 4 个。这四种类型的变量有各自的用途。i 变量对p m a c 卡功能特性进行设置，并有预先定 义的意义，它们在内存中有固定的位置。p 变量是全局用户变量，在内存中有固定的位置， 为4 8 位浮点变量，但没有预先定义的用途。q 变量和p 变量一样，是通用的用户变量， 在内存中有固定的位置，为4 8 位浮点变量。q 变量的意义与坐标系有关，不同坐标系中 的程序中的q 变量的值不同。m 变量为地址性变量，相当于c 语言中的指针变量，是为 了使用户更加方便存取p m a c 的内存和i o 空间而提供的。 bp m a c 控制卡的存储资源 p m a c 使用m o t o r o l a 5 6 0 0 1 作为c p u ，它的i 0 与内存是统一编址的双1 6 位地址空 间，当指定一个地址时，必须指出使用哪一半内存x 或y ，还是作为一个4 8 位字来使用。 内存与接口地址统一编址，地址范围为1 6 位：0 0 0 0 h f f _ f f h 具体的分配范围见表2 2 所示，系统已经为用户分配好了存储空间的地址范围。 表2 2p m a c 内存和端口地址分配表 t a b l e2 - 2m e m o r ya n dp o r ta d d r e s so f p m a c 0 0 0 0 h0 i o o h1 8 0 0 hb c o o hc 0 0 0 hd o o o he o o o hf 0 0 0 h l 。o o f f h 1 7 8 f f l lb b f f i tb f f f h c f f f i id f f f he f f f hf f f f i i d s p 内部计算寄用户存伺服参数m门电路双端口w l e 总线i 0 端口l l 存储存单元储空间变量定义寄存器 r a m 寄存单元寄存器i c轮式移动机器人的控制程序设计 p m a c 作为轮式移动机器人( a g v l 0 0 ) 的控制器，具有实时多任务处理的操作系统， 可对多任务优先级进行安排与管理，通过高速的中断处理，达到对伺服运动的实时更新和 运动控制程序的执行。在p m a c 软件系统中进行运动控制程序的设计与运动参数设置， 可对a g v 进行所需要的运动控制。 p m a c 的运动控制程序有两种：前台执行实时执行的运动程序和后台循环扫描的p l c 程序。这样p m a c 集成了运动控制与过程控制两大功能，这两种功能在许多时候及应用 场合这两种控制方式是很难分开，同样在a g v l 0 0 的控制系统也是如此。p l c 程序用作 扫描a g v l 0 0 的初始化，状态信息和传感器数据的采集，而运动程序就要结合p l c 程序 9 西安理工大学硕士学位论文 得到的信息，完成运动轨迹的控制，这两者是分不开的。 p m a c 能够支持2 5 6 个运 动程序与3 2 个p l c 程序，这 就满足了大多数的控制应用。 a g v l 0 0 控制系统中运动程序 主要包括手动程序、自动程序 和后台扫描p l c 程序。手动 程序主要完成手动按键的运 动功能，由p l c 扫描按键程 序与运动程序共同完成。自动 程序主要完成预选轨迹的自 动执行，a g v l 0 0 可以按照预 先设定轨迹进行移动。而p l c 程序主要完成系统的初始化， 按键的扫描，传感器数据的采 集与反馈，其中p l c 0 的任务 级别最高。运用p l c 程序方 式采集传感器数据，并结合运 动程序可对a g v l 0 0 进行具 有路标的自动导航，如超声波 传感器的定位与准停程序。 a g v l 0 0 控制系统中 p l c 0 具有最高的任务级别和 最实时性的执行速度，每个伺 服中断周期执行一次。所以把 p l c 0 作为控制系统的主程 序，主要用作对系统的初始 化，后台扫描，状态判断等。 如图2 6 ，是a g v l 0 0 系统的 p l c 0 程序的框架图。 图2 - 6p l c 0 程序流程 f i g 2 - 6p r o g r a m ef l o wo f p l c 0 2 3 轮式移动机器人的无线通信子系统 轮式移动机器人( a g v ) 采用何种无线通讯设备主要取决于a g v 系统连接于何种网 l o 2 轮式移动机器人的结构及计算机控制系统 络中。若整个系统采用现场总线，则为了方便系统监控管理，a g v 的无线接口应采用该 种现场总线的无线网关；若系统采用工业以太网，则a g v 应采用无线网卡或无线网桥， 采用无线网卡还是网桥取决于a g v 内部总线形式。我们的轮式移动机器人选用 p m a c 2 p c i 0 4 作为控制核心( 具体方案见上图2 5 ) ，选择有主板和一块扩展扳( a c c 1 p ) ， 并作为独立的控制器进行a g v l 0 0 的运动控制，其通讯接口有四种：r s 2 3 2 、p r o f m u s 、 d e c e n l 订、e 1 m e 鼢旺t ，其中p r o f 毋u s 、d e v i c e n e t 、e t 艇r n e t 三种方式必须 由p m a c 的附加通讯卡来实现，而本身a g v 空间有限，故采用r s 2 3 2 串行接口无线通 信方式是最为方便易用的。 轮式移动机器人的无线通信子系统采用r s 2 3 2 串行通信接口与p c 或者a g 进行接 入，同时具有r s 4 8 5 工业标准接口，方便于现场总线集成和具有r s 4 8 5 接口的工业装备 的接入，这就使得a g v 系统可与工业现场总线，p c 监控平台进行连接通信，实施对a g v 系统的监控与数据采集。传感器模拟信号可通过此通信平台的a 仍与d a 接口进行数据 的采集和传输。另外通过a g v 上位机的o p c 可进行工业控制设备之间的应用层集成( 网 络结构见图1 1 ，完成a g v 与工业总线的集成，a g v 系统通过此通信平台可被纳入整个 网络，进行有效的运作，无须连线，自由的运动于各控制单元之间，可以实时的把握a g v 的运行状态，实时的对其进行运动修正与控制。 无线通信子系统的主要任务是对通信数据进行编码算法，在数据传输协议的控制下发 射与接收。对于无线通信子系统，需要做到： a ) 轮式移动机器人数据传输可靠性。由于无线与有线环境截然不同的特征，有线链 路传输非常可靠，而无线链路可靠性要差很多，如丢包和误码1 6 j 0 这就要求通信系统要 具有高的传输可靠性；另外由于轮式移动机器人的运动性，通信子系统在不同的距离范围 内应有良好的稳定性与数据传输准确性，并能自行进行错误处理，修复不稳定的无线链路。 b ) 选择合理的通信频率。为了防止频率干扰，通信系统的频率需要选择在一个合适 的频段。 c ) 工业现场是一个具有复杂磁场的环境，这就要求通信系统具有良好的抗干扰性， 强的纠错能力。 d ) 通信系统应具有较高的吞吐量，以得到较小的响应时间。 要实现这些所需要的是可靠的硬件通信系统、抗干扰能力强的基带编码、设计良好的 数据传输协议及流量控制机制，稳定的链路管理、较高的信道利用率、合理的软件算法等。 那么下面章节就这些要求和面临的问题，给予详细的讨论并提出可行的方法。 2 4 无线通信子系统的通信模型 分层或者层次化是等级结构模块化的一种形式，它是数据通信系统体系设计的中心内 容，这也是模块化设计的思想体现。本小节将对轮式移动机器人的无线通信系统进行总体 的模型建立。 西安理工大学硕士学位论文 2 4 1 数据通信体协结构 通信双方的两个系统中必须由相同的协议体系分层，才可能进行数据的正常通信，例 如著名的t c p i p 的网络体协模型，其具有5 个层次：物理层、数据链路层、网络层、传 输层、应用层i 1 i 。两通信设备之间进行数据传输需要经过这些功能模块层，才能到达最 终的应用层。每层定义了一簇不同于其他层的功能集合，在通信过程中，每一层都直接调 用其直接下层的服务，为其上层提供服务接口。这样整个通信的复杂过程被模块化所屏蔽， 这样便于整个通信系统的设计与整合，使得上层( 应用层) 的数据操作变的简单，使得同 层之问的数据交换逻辑上是相通的，而真正上只有物理层是物理上的实际通信链路。 物理层主要提供通信所需要的接口，传输介质，电气规范等。 数据链路层就是把可能出错的实际物理链路转变成为可靠的链路，它是在物理层和网 络层之间进行无差错的帧传输，对物理层传输的比特数据根据链路层协议进行分析与处理 交给网络层，