机器人控制器的一种模块化设计方法

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛机器人控制器的一种模块化设计方法韩大鹏韦庆(国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073)摘要：本文针对地面移动机器人，在CAN总线的基础上，设计了一种模块化的控制器结构。这种设计具有可靠性强、扩展性好等特点。实际应用证明了该设计的可行性。关键词：模块化；机器人控制器；CAN总线中图分类号：TP24文献标志码：BADESIGNMETHODVIAMODULARIZATIONFORCONTROLLERSOFMOBILEROBOTSHANDa-p

2、engWEIQing(Dept.ofMechtronicEngineeringandAutomation,NationalUniversityofDefenseTechnology,ChangSha410073,China)Abstract：Inthispaper,basedonCANbus,anewkindofcontrollerforground-movingrobotsispresent,whosestructureisobtainedviamodularization.Thisdesign,whichisreliableandexpansible,ha

3、sbeenprovedtobepracticablethroughapplications.Keywords：modularization;robotcontroller;CANbusCAN总线是一种可靠性强、通讯速率1引言高、连接方便、扩展性能好、性能价格比高的现场总线。CAN总线最初应用在汽车的驾驶系统上，现在正在越来越多的场合得到应机器人控制器是根据指令及传感信息用，如温度监测系统、磁悬浮列车驾驶系统控制机器人完成一定的动作或作业任务的[5][6]、仿人型机器人控制系统、化工生产控装置。作为机器人的核心部分，机器人控制[1]制系统等。把机器人控制器的模块

4、化结构构器是影响机器人性能的关键部分之一。建在CAN总线的基础上，是十分方便的。自1959年第一台控制机诞生以来，以下面我们首先在CAN总线基础上完工业控制为主要方向，控制系统的发展在上成了控制器模块化结构的设计，然后在软件个世纪经历了直接数字控制（DDC）、集散[2]层面上设计了整个控制器的系统管理协议，式控制、PLC技术、现场总线等四个阶段。用以增强控制器的可靠性，最后给出了在一伴随着控制系统的更新换代，机器人控制器个履带式机器人上的应用实例。也不断发展。目前，机器人控制器的发展方向是开放式机器人控制器。这种控制器突破了传统控制器信息封闭缺点，强调结构化、

5、2控制器结构模块化，以及系统柔性、可配置性、可扩展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩对于一个地面移动机器人，比较典型的性、可靠性和复用性。设计完全通用的开放控制系统应该包括以下模块：式机器人控制器是不现实的。而设计具有一高层规划模块，功能是使机器人到达合适的定适应性结构的控制器则是比较容易且有位置，完成适当的动作；[3]实际意义的。运动控制模块，按照高层规划模块的要求，具有模块化结构的控制系统已经得到控制机器人运动到指定位置；[4]了很好的应用，如美国的PackBot机器人。动作模块，能够在高层规划模块的指令引导在工程上这种结构具有可靠性高、易开发、下，完

6、成功能性动作；易维护等特点。它虽然不是严格意义上的开导航模块，给机器人提供导航信息；放式控制器，但对于功能相对较少，实时性检测模块，提供环境信息，供其它模块使要求相对较低的地面移动机器人是很适用用。的。1http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛其中，运动控制模块又可以进一步划分为：①各模块只要遵循CAN总线接口协议，可路径规划模块，路径跟踪模块，速度伺服模以分别设计、分别调试，给控制器的开发和块。系统的逻辑结构如图1所示。维护带来了便利；高层规划模块路径规划模块②某些模块发生故障，可以由

7、监控模块进行合理的处理，控制器不会失控或瘫痪；③按照CAN总线接口协议设计的模块都轨迹跟踪模块可以增加到系统中，控制器容易扩展；动作模块导航模块运动控制模块检测模块④某些模块对安装位置有严格的要求（如带有倾角传感器的模块，带有CCD的模速度伺服模块块）。从工艺设计的角度出发，要求模块间的物理连接尽量简单。根据CAN总线协议，各模块之间只需要通过双绞线连接，布线简图1系统的逻辑结构单，能很好地满足要求。如果按照集散式结构设计控制器，那么模块间的数据流就会比较繁杂，硬件设计和3系统管理协议软件设计都容易带来不可靠的因素。引入CAN总线，每个模块作为一个总线节点，系

8、统管理协议包括两部分：数据交换协可以形