一种半实物实时仿真系统及实现快速原型控制的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种半实物实时仿真系统及实现快速原型控制的方法。系统包括宿主机、主控机、和外部扩展功能模块和被控对象。宿主机运行Matlab/Simulink/RTW程序，并将可执行程序载入主控机；宿主机运行LabVIEW程序，用于实时观测主控机的状态信息与修改控制参数。主控机包括下载单元、通信单元、人机交互单元、测试传感单元、控制及信息处理单元、及功率驱动单元，用于辅助实现宿主机与其他部分功能模块的联通。外部扩展功能模块用于扩展测试传感单元的功能，输出可配置的控制信号。本发明专利技术针对机器人控制系统，有效地解决了快速原型设计和硬件在回路仿真的结合问题，并整合了功率驱动单元；提高了机器人控制系统的可控性、可观测性以及对不同控制对象的适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数据仿真
，特别涉及一种应用于机器人控制系统的快速原型控制的半实物实时仿真系统。
技术介绍
硬件在回路仿真(HILS，Hardware-in_Loop Simulation)又称为半实物仿真，它是将实际系统的一部分用数学模型加以描述，并变换为仿真模型在计算机上运行，将系统的另一部分以实物或物理模型引入仿真回路。通常，由于真实系统的某些部分很难或根本无法建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难。面对这种情况，只有采用硬件在回路仿真，将不易建模的部分用实物代替。由于在回路中有实物硬件加入，硬件在回路仿真必须是实时运行的。利用硬件在回路仿真，可以检验真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标和可靠性，有助于准确调整系统参数和控制规律。而且它还可以用来检验数学模型的正确性和仿真结果的准确性。在开发的初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性。这个过程我们称之为快速控制原型(RCP，Rapid ControlPrototyping)。工程师在进行控制系统开发时，常常需要同时面临许多难以解决的问题，而开发的时间却要求愈来愈短。按照过去的开发方法，一般包括下列的典型步骤1)根据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计目标；2)根据过去的经验提出系统的结构；3)由硬件人员设计并制造硬件电路；4)由控制工程师设计控制方案，并将控制规律用方程的形式描述出来；5)由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律；6)由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中；7)用真实控制对象或测试台对系统进行测试；由上述过程可以看出，传统的开发方法存在三个较大的问题1.硬件投入成本较大在对控制规律的控制特性或控制效果还没有一点把握的情况下，硬件电路已经制造了，这时，不知道所设计的方案在多大程度上满足要求，抑或根本不能满足要求，但已经产生了较大的硬件投入成本。2.手工编写代码不可靠由于采用手工编程，所以会产生代码不可靠的问题，这样，在测试过程中如果出现问题(大多数情况下这是必然的)，就很难确定是控制方案不理想还是软件代码有错误。更重要的是手工编程将会占用大量的时间，导致虽然有了控制方案，却要等待很长时间才能对其进行验证和测试，从而在不知道方案是否可行的情况下就浪费了大量的时间、人力和物力，给开发带来不必要的开支和经济损失。3.修改控制方案费时费力即使软件编程不存在问题，如果在测试过程中发现控制方案不理想，需要进行修改，则新的一轮工作又将开始。大量的时间又将耗费在软件的修改和调试上。另外，由于涉及的部门太多，再加上管理不善所引入的种种不协调，导致开发周期延长，最终导致产品虽然研制成功了，但初始需求已经发生了变化，市场机会已经错过，产品已没有了销路，从而使整个开发失败。快速控制原型方法可使嵌入式系统的设计工作得以快速实现，而无须进行繁琐的手工编写代码和调试过程。其典型的快速原型化可用于设计周期中的软、硬件集成和测试阶段，功能包括在模块图建模环境下，以图形化的方式对算法进行概念化；在配置硬件、 生成产品软件或设计定型前，对系统的性能进行估价；通过算法设计和原型化之间的快速重复，对设计进行完善。控制系统的快速原型设计分为四个阶段研究阶段、设计阶段、执行阶段和应用阶段。在研究阶段，主要进行算法研究、数据分析和系统建模工作；在设计阶段，一般需要选用如Matlab/Simulink的仿真软件并根据上一阶段建立的物理模型进行仿真；执行阶段的主要工作是，将设计阶段仿真成功的算法自动生成嵌入式C语言或者VHDL语言后，导入到嵌入式硬件中。应用阶段的主要任务是，将嵌入式控制单元与功率驱动单元、执行机构、传感与检测单元整合后对系统进行试验。图1为现有的机器人伺服控制系统，包括宿主机101、目标机102、电机驱动器103、 执行机构104与测试传感单元105。宿主机可以为任何x86结构的笔记本电脑、PC机或工控机，它运行 Window XP、WindowVista 或 Window 7 操作系统,仿真软件为 Matlab/Simulink/ xPC Target等，并通过以太网与目标机102相连。目标机102为精简指令集计算机(RISC， Reduced Instruction Set Computer)或复杂指令计算机(CISC, Complex Instruction Set Computer)，计算机内部带有PCI或者ISA插槽，安装有数据采集以及伺服驱动卡。目标机安装有实时操作系统，如Vxworks等。电机驱动器103接收目标机传送过来的位置指令，通过比较测试传感单元105反馈会的位置来对执行元件或执行机构104的位置进行调节。在传统的机器人伺服控制系统快速原型设计过程中，宿主机101负责控制算法的建模、仿真、编译与下载工作。当对系统的控制算法建模成功后，通过自动生成代码的功能将控制框图转化为C语言程序，而后又由C编译器将程序转换成可执行程序，并通过以太网下载到目标机102中运行。目标机102运行编译成功的实时控制程序，并根据运算结果给电机驱动器103发送位置指令。电机驱动器接收目标机102位置指令，并根据测试传感单元反馈回的位置指令，控制驱动单元或执行机构的位置和速度。在传统控制方案中，目标机102与其中的数据采集卡是必不可少的。由于目标机体积较大，故不适合安装于机械臂等活动部件上。这种设计思路带来的问题是，在快速原型设计中，需要将机械臂上的模拟信号线、编码器信号线、功率信号线全部接入位于固定位置的目标机102中，布线复杂、线间容易产生串扰、接线端子众多，故降低了系统的稳定性，也不方便调试人员安装和维护；同时，目标机102的耗电量较大，不适合小型移动设备中；另外，支持实时仿真的数据采集卡成本也比较高，故传统方案增加了系统的使用成本，减小了快速原型化系统的应用范围。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种针对现有机器人伺服驱动系统的上述缺陷， 在伺服电机驱动器上直接实现硬件在回路仿真和快速控制原型的控制系统，从而简化系统的布线，降低系统的功耗与成本。本专利技术提出了一种适用于机器人伺服控制系统的快速原型控制实现的半实物实时仿真系统，包括宿主机、主控机和外部扩展功能模块和被控对象，所述主控机包括下载单元、通信单元、人机交互单元、测试传感单元、控制及信息处理单元、及功率驱动单元。所述下载单元，用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序；所述通信单元，用于与外部扩展功能模块交换数据，也可连接其他的主控机实现机器人多关节协调控制；所述人机交互单元，用于显示仿真过程中的所需要观测的参数与调节控制系统参数；所述控制及信息处理单元用于执行编译后的程序，生成控制结果，获取采集单元的数据；所述功率驱动单元，用于执行控制及信息处理单元生成的控制结果，驱动被控对象；所述测试传感单元，用于获取被控对象反馈回来的状态信息。优选地，所述外部扩展功能模块中包括力传感器采集模块，用于采集放置于机械臂上的力传感器所反馈的力信号。优选地，所述通信单元包含两个控制器区域网络(CAN，Controller Area Network)总线接口，一本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种半实物实时仿真系统，包括宿主机（１）、主控机（２）和外部扩展功能模块（３）和被控对象（４），其特征在于，所述主控机（２）包括下载单元（２１）、通信单元（２２）、人机交互单元（２３）、控制及信息处理单元（２４）、测试传感单元（２５）、及功率驱动单元（２６）；所述下载单元（２１），用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序；所述通信单元（２２），用于与外部扩展功能模块交换数据，也可连接其他的主控机实现机器人多关节协调控制；所述人机交互单元（２３），用于显示仿真过程中的所需要观测的参数与调节控制系统参数；所述控制及信息处理单元（２４），用于执行编译后的程序，生成控制结果，获取采集单元的数据；所述测试传感单元（２５），用于获取被控对象反馈回来的状态信息；所述功率驱动单元（２６），用于执行控制及信息处理单元生成的控制结果，驱动被控对象。

【技术特征摘要】
1.一种半实物实时仿真系统，包括宿主机(1)、主控机(2)和外部扩展功能模块(3)和被控对象，其特征在于，所述主控机( 包括下载单元、通信单元0 、人机交互单元(23)、控制及信息处理单元(M)、测试传感单元(25)、及功率驱动单元06)；所述下载单元(21)，用于从宿主机下载经编译后的可执行控制程序； 所述通信单元(22)，用于与外部扩展功能模块交换数据，也可连接其他的主控机实现机器人多关节协调控制；所述人机交互单元(23)，用于显示仿真过程中的所需要观测的参数与调节控制系统参数；所述控制及信息处理单元(M)，用于执行编译后的程序，生成控制结果，获取采集单元的数据；所述测试传感单元(25)，用于获取被控对象反馈回来的状态信息；所述功率驱动单元( )，用于执行控制及信息处理单元生成的控制结果，驱动被控对象。2.根据权利要求书1所述系统，其特征在于，所述外部扩展功能模块(3)中包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵奇，邢珅，赵维凡，邢琳，
申请(专利权)人：赵奇，邢珅，
类型：发明
国别省市：93