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课件

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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

2、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

3、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θ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

4、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

5、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)+_现场监控子系统—接口电路设计0x378H的8位D0~D7(P2~P9)用作电压输出。0x379H的高4位Busy,/Ackn,Paper,Select，(P10~P13)连接单片机的I/O,读取单片机对光电编码

6、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24.5°e1e2u2u1e1e2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

7、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PWMDutyCycle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

8、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+(xl>>4)结束与上一次差v=x－xoldv>128？v<-128？v=v－256角度Pos=Pos+v·kxold=x①②NYStrobe=150000次计数内error=1?Strobe=0,Auto=0读取低四位，存入xlStrobe=1NYYNYNNY开始①②判为超时，切断定时器YN50000次计数内error=1?50