第7章----基于手臂机器人远程控制的网络教学实验系统设计与实现

1、第七章 基于手臂机器人远程控制的网络教学实验系统设计与实现 内容提要 研究背景与意义 国内外研究现状 系统结构与功能 现场监控子系统设计 远程控制子系统设计 结论与展望研究背景与意义 研究背景 20世纪90年代，虚拟实验的崛起给远程实验教学带来了希望。但是，虚拟实验的局限在于它不能远程控制实验设备实物进行实验。因此，希望建立一个能够远程控制设备实物的实验系统。 根据中南大学、北京理工大学、日本东京工科大学达成合作开发国际网络教学实验系统的协议，以手臂机器人实验设备作为研究平台，开发具有远程控制设备实物功能的多用户网络教学实验系统。研究背景与意义 研究意义 网络教学实验系统的建立，将打破传统实验

2、教学的禁锢，使得实验的教学范围不再局限于实验室，为控制理论教学提供一个理想实验教具； 实验设备能被多个用户同时使用，提高了资源利用率，也能为学校节省大量开销。国内外研究现状 国内外一些大学和教育机构都开展了对具有远 程控制实验设备实物功能的实验系统的研发 意大利锡耶纳大学开发的一套远程自动控制实验（ACT）装 置，可以远程控制直流电机、水位箱的液体水位、悬浮磁铁 以及直升机实验 德国Fern大学的手臂机器人远程实验系统，可以进行抛球实验 哈尔滨工业大学电气学院设计开发了嵌入式远程教学实验系 统“基于DeviceNet现场总线恒压供水系统” 厦门大学开发的“电阻炉远程控制与仿真实验室系统”为实验

3、者 提供了电阻炉控制的PID控制的仿真和实时控制实验 系统结构与功能设计需求 丰富的控制算法实验类型 共享三校手臂机器人硬件资源 远程监控实验功能 仿真实验功能 实验数据查询功能 数据库存储功能系统结构与功能物理结构系统结构与功能手臂机器人硬件系统 手臂机器人硬件系统 手臂结构机械臂齿轮驱动电压 旋转角度机械结构系统结构与功能 体系结构现场监控子系统设计被控对象模型传递函数sTsK+2 手臂机器人数学模型现场监控子系统控制算法 极点配置 输入控制参数设计P1S ：配置极点P1的实部P2X ：配置极点P2的虚部P1X ：配置极点P1的虚部P2S ：配置极点P2 的实部 闭环控制框图sTsK+2控

4、制率为：现场监控子系统控制算法 反馈系数确定 配置极点共轭: 配置极点为实数：现场监控子系统控制算法 最优跟踪控制 取二次型性能指标为： 输入控制参数设计 加权系数 设计为输入控制参数 闭环控制框图同前类似 控制率中系数确定现场监控子系统控制算法 积分分离PID 输入控制参数设计 控制思想 比例系数P 、微分系数Td 、积分系数Ti、阈值 设计设计为输入控制参数 当偏差 ，不计积分项，避免过大超调 当偏差 ，计算积分项，保证控制精度现场监控子系统控制算法现场监控子系统闭环控制原理控制器PWM脉宽调制被控对象光电编码r(kT)b(kT)u(kT)u(t)y(t)滤波执行脉冲计数E(kT)+_现场

5、监控子系统接口电路设计 0 x378H的8位D0D7(P2P9) 用作电压输出。 0 x379H的高4位Busy, /Ackn ,Paper, Select，(P10P13)连接单片机的I/O,读取单片机对光电编码器的计数脉冲.第15位/Error 用来作为单片机对PC机的应答信号 0 x37AH的第1位/Strobe 用来建立PC与单片机的握手，第14位/Autofdxt用作读取状态计数值高低位选通位。现场监控子系统单片机接口电路现场监控子系统光电编码器原理遮光片u1，u2真值表10011001001100110011001110011001u1u2逆时针旋转顺时针旋转24.5e1e2u2

6、u1e1e2内部电路现场监控子系统光电编码脉冲计数计数值减1结束与上一次u1,u2电压比较此次u1是否与上次u2相等计数值加1存储该次u1,u2NYNY开始变化?读取当前电压u1,u2现场监控子系统下位机通信程序开始系统上电单片机初始化 设定中断、计时器、PWM初始化启动定时器、设定全局中断改变位NOP中断开始W,STATUS, PCLATH存储器储存中断标志位判断T01F=1?中断结束TMR0处理子程序YTMR0子程序流程图其它调用Encode子程序更新手臂位置信号0010比较前一次和这一次的RB0值更新PWMDuty Cycle送低四位YN结束RB1=0?根据RB0的值置位RC0,以响应P

7、C机的握手信号中断标志位清0，设置TMR0主程序流程图NW,STATUS, PCLATH存储器储存送高四位现场监控子系统监控机软件模块现场监控子系统数据采集启动辅助检测线程位置x=xh+(xl4)结束与上一次差v=xxoldv128？v5？u5？解析参数流解析参数流解析参数流解析参数流调用积分分离PID算法模块计算控制量u停止实验开始实验现场监控子系统后台监控界面远程控制子系统设计网络通信 通信协议：TCP ，HTTP 同步阻塞通信机制 流式Socket 高层协议 通信方案远程控制子系统设计服务器端模块与数据库交互 进程间Socket通信调用功能模块实验管理服务器结构模块图客户端服务器端注册模

8、块用户验证模块数据库后台控制算法程序循环监听，调用功能模块处理各类型请求监控端客户端Java Applet仿真保存模块远程实验保存模块FCFS算法模块读写模块通信模块记录查询模块远程控制模块远程控制子系统设计服务器端 N进入等待队列查询资源表查询等待队列有空闲设备？YY请求远程控制N队列不空？查询资源表获得机器人，传送远程实时控制信号帧给后台控制端等待10秒有空闲设备？排在队首？NNYY开始实验 FCFS算法实验流程图远程控制子系统设计服务器端实验管理服务器界面远程控制子系统设计数据库设计用户用户编号用户名密码学号所在院系E-mail登 录登录编号用户编号登录日期登录时刻控制参数参数编号参数远程控制实验实验编号用户编号参数编号实验日期详细时间采样结果采样编号参数编号采样位置采样电压仿真实验实验编号用户编号仿真参数实验日期详细时间n111111nnn数据库E-R图远程控制子系统设计客户端设计 用户注册界面 仿真实验界面 远程控制界面 实验查询界面 四个用户界面远程控制子系统设计客户端应用程序用户注册界面仿真实验界面远程控制子系统设计客户端应用程序用户名密码登录选择控制算法选择控制参数选择给定信号实时曲线实验数据开始实验复位手臂保存数据连接退出远程控制实验界面远程控制子系统设计客户端应用程序实验查询界面远程控制子系统设计客户端应用程序结论与展望研究成果提出一种硬件资源网络化的解决