基于QNX的液压驱动四足机器人分布式控制系统设计与实现

摘要

自然界中的四足哺乳动物几乎可以依靠自己的腿足到达地表的任何地方，具有地形适应能力强、运动灵活度高的优点。因此，将四足哺乳动物作为仿生对象的四足仿生机器人已经成为移动机器人领域的研究热点。四足机器人控制系统承担着执行控制指令、完成关节驱动伺服控制、机器人运行状态监测和外部扰动下的动态稳定控制等任务，其实时性、软件和硬件系统的稳定性对机器人系统的综合性能起着关键作用。
　　本课题以山东大学机器人中心的SCalf液压驱动四足机器人为研究对象，根据机器人对控制系统实时性、抗共模干扰能力和高可靠性的需求，采用分层分布式架构设计了机器人的控制系统。主要研究内容如下:
　　(1)液压驱动四足机器人控制系统的整体方案设计。在分析液压驱动四足机器人系统机构组成、关节驱动方式、机载能源和运动模式的基础上，提出了液压驱动四足机器人控制系统的设计需求。然后根据控制系统的需求，首先将机器人系统动力学分为整体动力学模型和单腿动力学模型，分别采用核心控制器和单腿伺服控制器进行运算与控制，以提高模型解算的实时性及运算效率，其次使用双CAN总线的通信方式，将机器人机载动力系统控制和运动控制的信息分开传输，以提高通信带宽。通过将控制系统分为核心控制层、通信协调层和伺服驱动层设计了高可靠性的分层分布式控制系统硬件架构，并对各层进行了详细方案设计。
　　(2)控制系统的硬件实现。在控制系统的整体框架下，根据控制任务的需求，首先对主要器件进行选型，确定了以凌华CM920为CPU、Connect CANpro/104-plus Opto为CAN卡的核心控制器。然后对无线通信模块、单腿伺服控制器进行了功能论证，针对不同的功能需求，设计了不同的配套电路。最后对控制系统的可靠性进行设计，确保控制系统的稳定。
　　(3)控制系统的软件设计。基于QNX实时操作系统搭建了IDE Monmentics开发环境，根据控制系统的框架设计，首先对核心控制层的线程进行分配，设计了主线程的程序。其次对于通信协调层的不同的通信方式进行软件设计，制定了CAN通信协议。然后根据数据采集与输出需求对伺服执行层的A/D采集、D/A输出进行了设计。最后设计了上位机操作界面，方便机器人的操作控制与运行状态监测。
　　(4)实验验证。设计了A/D数据采集模块和D/A输出模块的验证实验、单缸伺服控制实验、CAN通信实验以及整机实验，分别对控制系统的数据采集和输出、单缸伺服控制的跟随性能、CAN通信速度以及机器人整机性能进行了测试，通过实验证明，控制系统能够满足新的控制需求，并能够在四足机器人上开展相关算法的实验验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 液压驱动四足机器人国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 四足机器人控制系统的结构类型

1．4 论文的主要研究内容及创新点

1．4．1 课题来源

1．4．2 论文主要研究内容

1．4．3 主要创新点

1．5 论文章节安排

第二章 SCaif机器人控制系统的整体设计

2．1 引言

2．1．1 SCalf机器人系统介绍

2．1．2 SCalf集中式控制系统介绍

2．2 液压驱动四足机器人运动控制需求

2．2．1 机器人运动控制的设计需求

2．2．2 SCalf机器人运动控制的具体需求

2．3 SCalf机器人动力学模型的分布式设计

2．4 SCalf机器人控制系统的整体方案

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 控制系统的硬件整体框架设计

3．3 核心控制层硬件电路设计

3．3．1 核心控制器CPU的选型

3．3．2 核心控制器上通信接口的设计

3．3．3 核心控制层电源模块的电路设计

3．4 通信协调层电路设计

3．4．1 CAN卡的选型

3．4．2 无线通信模块电路设计

3．5 伺服执行层硬件电路设计

3．5．1 液压驱动单元介绍

3．5．2 单腿控制器处理器的选型

3．5．3 A／D转换模块的硬件电路设计

3．5．4 D／A转换模块的硬件电路设计

3．5．5 CAN通信模块的硬件电路设计

3．5．6 串口的硬件电路设计

3．5．7 电源的硬件电路设计

3．6 控制系统硬件可靠性设计

3．6．1 连接器抗震能力

3．6．2 连接线缆抗干扰能力

3．6．3 PCB设计

3．7 本章小结

4．1 引言

4．2 控制系统的操作系统和开发环境

4．2．1 QNX操作系统介绍

4．2．2 QNX开发环境

4．3 核心控制层软件设计

4．3．1 核心控制层线程分配

4．3．2 主线程程序设计

4．4 通信协调层软件设计

4．4．1 CAN总线软件设计

4．4．2 以太网软件设计

4．4．3 串口软件设计

4．5 伺服执行层软件设计

4．5．1 A／D采集软件设计

4．6 上位机设计

4．7 本章小结

第五章 SCalf机器人控制系统实验设计与分析

5．1 引言

5．2 A／D数据采集模块的验证

5．2．1 位移传感器的采集验证

5．2．2 力传感器的采集验证

5．3 D／A输出模块实验

5．3．1 正弦波信号

5．3．2 方波信号

5．3．3 锯齿波信号

5．3．4 三角波信号

5．4 单缸伺服跟随实验

5．5 CAN通信实验

5．6 四足机器人整机实验

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

发明专利

硕士学位期间参加的科研项目