基于CAN总线的机械臂网络化控制系统设计

论文摘要

随着科学技术发展,机械臂在工业生产中已经取得广泛应用。作为一个时变、强耦合的非线性系统,机械臂控制系统是众多现代控制方法理论研究和工程实践的一个良好平台。本文主要针对四自由度机械臂控制问题,提出了基于CAN总线的机械臂网络化控制系统设计方案。系统首先利用嵌入式单板计算机作为主控计算机,采用DSP TMS320F2810设计实现集成传感器、执行器、控制器的智能化关节控制器,搭建了基于CAN总线的网络化控制体系结构。其次,针对机械臂多关节联动控制时,固定参数的传统PID控制鲁棒性不强的缺点,运用模糊神经网络理论,通过误差和误差变化量实现PID参数自整定调节;针对机械臂网络化控制系统中节点时钟不一致、多节点周期报文集中发送造成总线冲突及报文延时等问题,借鉴PTP时钟同步协议设计了一种基于主从时钟同步的网络通信调度算法,提出了一种主从时钟同步算法以及报文延时测量的实现方法,并在节点时钟一致的基础上运用变形的主从协调网络调度算法优化了CAN总线网络通信拥堵的问题。最后对机械臂控制系统进行了实验研究。实验结果表明:模糊神经网络PID控制算法使关节控制器在机械臂多关节联动控制中提高了鲁棒性,基于主从时钟同步的网络通信调度算法正确、可靠,机械臂控制系统CAN网络通信拥堵情况得到优化,整个基于CAN总线的机械臂网络化控制系统的可行性通过实验得到了验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 机械臂控制系统关键技术的发展现状
• 1.2.1 机械臂控制系统体系结构研究现状
• 1.2.2 机械臂控制系统通信网络研究现状
• 1.2.3 机械臂关节位置控制算法研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 机械臂控制系统分析
• 2.1 多任务/多传感器机电捕获系统描述
• 2.2 四自由度机械臂描述
• 2.2.1 机械臂自由度分布
• 2.2.2 机械臂参数指标
• 2.3 机械臂控制系统总体设计方案
• 2.3.1 主控计算机
• 2.3.2 通信网络
• 2.3.3 关节控制器
• 2.4 小结
• 第三章 机械臂控制系统硬件平台设计
• 3.1 主控计算机选型
• 3.2 通信协议的确定
• 3.3 关节控制器硬件设计
• 3.3.1 关节控制器主控芯片选型
• 3.3.2 位置采样单元设计
• 3.3.3 电流检测单元设计
• 3.3.4 CPLD 码盘计数单元设计
• 3.3.5 电机驱动单元设计
• 3.3.6 通信接口单元设计
• 3.4 小结
• 第四章 机械臂控制系统软件设计及算法研究
• 4.1 机械臂控制系统软件总体设计
• 4.2 主控计算机控制决策算法研究
• 4.2.1 机械臂期望关节角
• 4.2.2 机械臂关节运动规划
• 4.3 模糊神经网络PID 位置控制算法研究
• 4.3.1 关节位置控制器数学模型
• 4.3.2 PID 控制的基本原理
• 4.3.3 模糊神经网络原理
• 4.3.4 模糊神经网络PID 控制器
• 4.4 基于主从时钟同步的网络通信调度算法设计
• 4.4.1 CAN 总线技术特点及实时性分析
• 4.4.2 机械臂控制系统CAN 网络通信问题描述
• 4.4.3 基于主从时钟同步的网络通信调度算法设计
• 4.4.4 基于主从时钟同步的网络通信调度算法通信帧格式设计
• 4.5 小结
• 第五章 实验结果分析
• 5.1 关节位置控制实验结果分析
• 5.2 CAN 网络主从时钟同步实验设计及结果分析
• 5.2.1 主从时钟同步实验流程
• 5.2.2 主从时钟同步实验结果分析
• 5.3 机电捕获系统实验结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果