基于MODBUS总线的分布式机器人控制系统
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摘要
机器人的网络控制是计算机技术、通信技术与机器人控制技术相结合的一种现代机器人控制方式。采用这种控制方式的机器人控制系统可以利用负责系统管理控制任务的上位机,通过相关网络,实现对远程机器人的控制、故障检测等功能。
本文在深入研究了现场总线技术、机器人控制技术及分布式控制技术的基础上,设计了这个基于MODBUS 现场总线的分布式机器人控制系统。本方案为最终实现机器人的远程控制奠定了基础。主要研究内容包括:
第一,针对系统设计的需要,在深入研究了现场总线和机器人控制技术的基础上,设计了该系统总体的结构;研究了系统软硬件设计的原则和方法;给出了一种简单实用的机器人控制算法。
第二,针对机器人控制的特点,研究了MODBUS 总线协议的实现,解决了机器人网络控制的通信问题。
第三,根据机器人控制的需要,在分析了几种常用的机器人控制器的设计方案后,完成了整个系统软硬件的设计。
最后,为了验证研究工作的效果,给出了系统实现的一个实例,包括上位机软件的运行以及系统有关部分工作的情况。实践证明该系统基本达到了设计的要求,实现了机器人的网络控制的思想。
本控制系统是一种先进的机器人控制方法的一个实例,而且作为一种成本较低、控制简单有效的系统,在生产教学上具有重要的理论意义和推广价值。
Network control to Robots is a new way for Robots-control, which integrates three advanced techniques including computer technique, communications technique and robotic controlling technique. Once that way is applied in the robotic controlling system, user can control or trouble-shooting the remote Robots on the network through the system’s HOST.
After studied some techniques including advanced Field-Bus, Robots-control and Distributed control, this dissertation uses the robotic controlling technology available and advanced Field-Bus to develop a full-distributed robots-control system based on Modbus. The system lay a foundation for the accomplishment of the Robots’remote control.
The followings are what the author has worked on for this thesis:
Firstly, in order to optimize the system’s structure, some related technologies including Distributed control and Robots-control are generally studied and the total structures of this system are proposed and the following implementing methods are proposed: the design method and the design principle of both the hardware and software, a simple and useful control arithmetic of robot.
Secondly, in order to solve the communication problem, I introduce something about Modbus protocol’s implement according to Robots-control’s characteristic. Thirdly, in order to solve the Robots’control, several kinds of common methods of designing the Robot-controller are analyzed, then whole system’s hardware and software are proposed.
Finally, in order to prove the effect of the researching works, I give the example of this system including the host computer running the control software and some parts’going. It is proved that the system i develop has fulfilled the objective of design.
The system we build is an instance of a advanced technique. According to the above studies, the prediction can be given: the successful design can be used to control or monitor the Robots on the network and be widely used to teaching and industry.
本文在深入研究了现场总线技术、机器人控制技术及分布式控制技术的基础上,设计了这个基于MODBUS 现场总线的分布式机器人控制系统。本方案为最终实现机器人的远程控制奠定了基础。主要研究内容包括:
第一,针对系统设计的需要,在深入研究了现场总线和机器人控制技术的基础上,设计了该系统总体的结构;研究了系统软硬件设计的原则和方法;给出了一种简单实用的机器人控制算法。
第二,针对机器人控制的特点,研究了MODBUS 总线协议的实现,解决了机器人网络控制的通信问题。
第三,根据机器人控制的需要,在分析了几种常用的机器人控制器的设计方案后,完成了整个系统软硬件的设计。
最后,为了验证研究工作的效果,给出了系统实现的一个实例,包括上位机软件的运行以及系统有关部分工作的情况。实践证明该系统基本达到了设计的要求,实现了机器人的网络控制的思想。
本控制系统是一种先进的机器人控制方法的一个实例,而且作为一种成本较低、控制简单有效的系统,在生产教学上具有重要的理论意义和推广价值。
Network control to Robots is a new way for Robots-control, which integrates three advanced techniques including computer technique, communications technique and robotic controlling technique. Once that way is applied in the robotic controlling system, user can control or trouble-shooting the remote Robots on the network through the system’s HOST.
After studied some techniques including advanced Field-Bus, Robots-control and Distributed control, this dissertation uses the robotic controlling technology available and advanced Field-Bus to develop a full-distributed robots-control system based on Modbus. The system lay a foundation for the accomplishment of the Robots’remote control.
The followings are what the author has worked on for this thesis:
Firstly, in order to optimize the system’s structure, some related technologies including Distributed control and Robots-control are generally studied and the total structures of this system are proposed and the following implementing methods are proposed: the design method and the design principle of both the hardware and software, a simple and useful control arithmetic of robot.
Secondly, in order to solve the communication problem, I introduce something about Modbus protocol’s implement according to Robots-control’s characteristic. Thirdly, in order to solve the Robots’control, several kinds of common methods of designing the Robot-controller are analyzed, then whole system’s hardware and software are proposed.
Finally, in order to prove the effect of the researching works, I give the example of this system including the host computer running the control software and some parts’going. It is proved that the system i develop has fulfilled the objective of design.
The system we build is an instance of a advanced technique. According to the above studies, the prediction can be given: the successful design can be used to control or monitor the Robots on the network and be widely used to teaching and industry.
引文
[1] 周宗锡.刚体姿态控制及其在机器人控制中的应用研究.西北工业大学博士毕业论文,2002
[2] 阳宪惠主编.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999
[3] 白焰,吴鸿,杨国田著.分散控制系统与现场总线控制系统.北京:中国电力出版社,2000
[4] 潘新民,王燕芳著.微型计算机控制技术.北京:人民邮电出版社,1999
[5] 方远编著.C/S 计算模型在工控软件中的应用.测控技术, 1998.5
[6] 刘甘娜,马瑞芳,冯刚编.IBM-PC 微机原理及接口技术.西安交通大学出版社, 1998
[7] http://www.keil.com/uvision2/default.htm
[8] 马香峰,徐向荣.机器人动力学凯恩方程法的进一步研究.1987 年全国机器人学术讨论会会议论文1987. 69~70
[9] 李朝青编著.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,1994
[10] MODBUS Application Protocol Specification.MODICON Corp,2002
[11] Jay Hendrix.Modbus protocol: Diligence in the detail is key to success.Heating/Piping/ Air Conditioning Engineering:HPAC.Cleveland:May 2001,P.32
[12] 熊四昌,陆青峰,王忠飞.基于MODBUS 通信协议的低压交流配电柜智能监控系统.电子工程师, 2003,Vol.29, No.4:19~21
[13] 李立强,巨林仓,苏军.VC 下实现基于MODBUS 协议的DCS 与远程I/O 系统通信.微计算机信息,2004,Vol.20, No.2:26~28
[14] 徐志勇,王彬,石银霞,王磊.1320MODBUS 通讯协议中校验码的计算方法.仪器仪表用户,2002,Vol.9, No.2:38~40
[15] 孟志强,彭永进.基于MAX1044 和MAX485 的RS232-RS485 转换器.湖南大学学报,2002,Vol.29, No.3:85~89
[16] 刘永洪.一种通用的RS232/RS485 转换器.单片机与嵌入式系统应用,2003,2:75～76
[17] SN75LBC184 Differential Transceiver With Transient Voltage Suppression.Texas Instruments Corp,2002.
[18] 赵晶编著.电路设计与制版Protel 99 高级应用.人民邮电出版社,2002 年11月第一版
[19] 刘书明等编著.数据采集系统芯片Aduc812 原理与应用.西安电子科技大学出版社,2000
[20] Aduc812 User Manual.USA: Analog Devices Corp.2003
[21] AD 公司网站.http://www.analog.com/microconverter
[22] 74LS244 User Manual.USA: National Semiconductor Corp.1995
[23] ULN2003 User Manual.JAP: TOSHIBA Corp.1999
[24] OP491 User Manual.USA: Analog Devices Corp.1994
[25] 李天无主编.简明机械工程师手册.云南科技出版社,1988
[26] 周骥平等.模架式关节型机械操作臂的设计研究.机电产品开发与创新,2003,3:25～26
[27] 张金刚.基于PC-104 总线移动作业机器人结构与控制系统研究.山东科技大学硕士论文,2001
[28] 王小明主编.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社,2002
[29] 姜伟,殷建军.步进电机闭环控制器设计.江苏机械制造与自动化,1996,1:34~35
[30] 薛安克,郑丹.步进电机驱动机器人的微机控制系统研制.1987 年全国机器人学术讨论会会议论文1987. 432~440
[31] 李现勇编著.Visual C++串口通信技术与工程实践.北京:人民邮电出版社,2002
[32] 李朝青编著.PC 机及单片机数据通信技术.北京航空航天大学出版社,2000
[33] MSDN Library Visual Studio 6.0[R] .Microsoft Corp,1997
[34] 骆斌,费翔林.多线程技术的研究与应用.计算机研究与发展,2000,Vol.37,4:407~412
[35] 刘勇,郭跟成.创建安全的多线程的进程外组件.计算机应用,2000,Vol.20,8:24~25
[36] Cameron Hughes,Tracey Hughes.周良忠译.C++面向对象多线程编程.北京:人民邮电出版社,2003
[37] 王险峰,刘宝宏编著.Windows 环境下的多线程编程原理与应用.北京:清华大学出版社,2002
[38] 王恩荣主编.MCS-51 单片机应用技术.化学工业出版社,2001
[39] 张恺.基于实时操作系统的分布式测控系统的设计研究.西安交通大学硕士毕业论文,2003
[40] 徐爱钧,彭秀华主编.单片机高级语言C51Windows 环境编程与应用.北京:电子工业出版社,2001
[41] keil Software Inc.RTX51 Tiny User’s Guide
[42] [美]拉伯罗斯.μC/OS-II—源码公开的实时嵌入式操作系统.邵贝贝译.北京:中国电力出版社,2001
[43] 陈伟人编著.MCS-51 系列单片机实用子程序集锦.北京:清华大学出版社,1993
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