《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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章 基于手臂机器人远程控制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的网络教学实验系统设计与实现内容提要v 研究背景与意义v 国内外研究现状v 系统结构与功能v 现场监控子系统设计v 远程控制子系统设计v 结论与展望研究背景与意义v 研究背景v 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。v 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
2、用户网络教学实验系统。研究背景与意义v 研究意义v 网络教学实验系统的建立，将打破传统实验教学的禁锢，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； v 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v 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v 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 v 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v 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
3、统“基于DeviceNet现场总线恒压供水系统”v 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v 丰富的控制算法实验类型v 共享三校手臂机器人硬件资源v 远程监控实验功能v 仿真实验功能v 实验数据查询功能v 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v 手臂机器人硬件系统v 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 +2v 手臂机器人数学模型现场监控子系统控制算法v 极点配置v 输入控制参数设计P1S ：配
4、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v 闭环控制框图sTsK +2控制率为：现场监控子系统控制算法v 反馈系数确定v 配置极点共轭:v 配置极点为实数：现场监控子系统控制算法v 最优跟踪控制取二次型性能指标为：v 输入控制参数设计加权系数 设计为输入控制参数v 闭环控制框图同前类似v 控制率中系数确定现场监控子系统控制算法v 积分分离PIDv 输入控制参数设计v 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v 当偏差 ，不计积分项，避免过大超调v 当偏差 ，计算积分项，保证控制精度现场监控子系
5、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) +_现场监控子系统接口电路设计v 0x378H的8位 D0D7(P2P9) 用作电压输 出。 v 0x379H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 v 0x37AH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
6、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 u1e1 e2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,u2NYN Y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
7、 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PWM Duty Cycle送低四位YN结束RB1=0 ?根据RB0的值置位RC0,以响 应PC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
8、网络通信v 通信协议：TCP ，HTTPv 同步阻塞通信机制v 流式Socketv 高层协议v 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
9、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v 用户注册界面v 仿真实验界面v 远程控制界面v 实验查询界面v 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
10、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v 研究成果v提出一种硬件资源网络化的解决方案。并用在远 程实验教学上。 1)将近程控制转化为远程控制，实现硬件设备 的网络共享。 2)控制性能不受Internet不确定因素的影响。v开发了丰富的控制算法，完成现场监控子系统软 件设计开发。 v设计实现远程控制子系统v 展望v 完善FCFS实验算法v 扩展其他控制对象v 联合更多高校共享网上实验教学资源。
