基于CAN總線的多機(jī)械手并行任務(wù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李春龍，鄒 鯤，陸 晨，呂琳燁，葉 勇

LI Chun-long, ZOU Kun, LU Chen, LV Lin-ye, YE Yong

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

阿克斯明斯特地毯毯面平整、豐滿，達(dá)到國(guó)際商業(yè)重量級(jí)地毯標(biāo)準(zhǔn)，需求量持續(xù)增長(zhǎng)。但阿克明斯特地毯織機(jī)存在織造效率低，換紗工作量大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，通過(guò)智能紗架系統(tǒng)對(duì)地毯織機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，縮短換紗時(shí)間。該系統(tǒng)采用多機(jī)械手換紗及分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，動(dòng)作流程復(fù)雜，信號(hào)傳輸頻繁。針對(duì)這些特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于CAN總線的并行任務(wù)控制系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)通過(guò)同步控制器將功能分層、控制分散[1]，有效將控制重心下移，提高了系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用靈活性，避開(kāi)了傳統(tǒng)多機(jī)械手系統(tǒng)由上而下集中控制的缺陷，各機(jī)械手可以分布在相對(duì)開(kāi)闊的工作現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)，通常以有意識(shí)協(xié)作協(xié)的異構(gòu)多機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)完成，該類系統(tǒng)一般規(guī)模較小，個(gè)體智能水平較高[2,3]，能夠獲得更優(yōu)化的解，但系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)要依賴復(fù)雜的協(xié)調(diào)控制機(jī)制[4,5]，對(duì)通信的要求較高，設(shè)備成本明顯增加。本設(shè)計(jì)充分利用分布式控制的特點(diǎn)，將單一層面的并行控制[6]擴(kuò)展到多層控制，使中轉(zhuǎn)機(jī)械手、使中轉(zhuǎn)站和續(xù)紗機(jī)器人等多機(jī)械手的智能性大大提高，系統(tǒng)能夠以簡(jiǎn)化的協(xié)調(diào)控制機(jī)制完成復(fù)雜的任務(wù)。通過(guò)對(duì)CAN總線功能的擴(kuò)充，文中設(shè)計(jì)了樹(shù)狀的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使各節(jié)點(diǎn)具有一定的互用性和可擴(kuò)充性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，增強(qiáng)了多機(jī)械手系統(tǒng)在紡織行業(yè)中的適用性。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括絡(luò)紗機(jī)、中轉(zhuǎn)機(jī)械手、中轉(zhuǎn)站、續(xù)紗機(jī)器人和紗架五個(gè)部分。系統(tǒng)同時(shí)控制多臺(tái)絡(luò)紗機(jī)進(jìn)行卷繞，卷繞好的紗團(tuán)由一臺(tái)中轉(zhuǎn)機(jī)械手分批放入兩個(gè)不同工位的紗箱中，再由兩臺(tái)中轉(zhuǎn)站將紗箱分別轉(zhuǎn)運(yùn)給兩臺(tái)續(xù)紗機(jī)器人。在換紗過(guò)程中，續(xù)紗機(jī)器人在紗架組成的巷道中長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，完成不同位置的換紗任務(wù)。

由于紗線的卷繞、運(yùn)輸、續(xù)紗等都是同時(shí)進(jìn)行且任務(wù)之間也存在著一定的邏輯順序，所以機(jī)械手間必然要求靈活的并行或串行控制。另外系統(tǒng)中機(jī)械手?jǐn)?shù)量較多，單就續(xù)紗機(jī)器人的電機(jī)數(shù)量就有將近20個(gè)，上位機(jī)控制負(fù)荷過(guò)重。本設(shè)計(jì)模仿生產(chǎn)車間的運(yùn)行機(jī)制，將控制系統(tǒng)劃分為工長(zhǎng)級(jí)、工人級(jí)和肢體級(jí)的三個(gè)控制層級(jí)，具體如圖1所示，為CAN總線網(wǎng)絡(luò)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)示意圖。絡(luò)紗機(jī)、中轉(zhuǎn)站和續(xù)紗機(jī)器人等工人級(jí)節(jié)點(diǎn)既能接收上位機(jī)的并行任務(wù)也能控制肢體級(jí)節(jié)點(diǎn)順序執(zhí)行同步控制器分解的底層任務(wù)。

系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議則采用主從通訊模式[7]。工長(zhǎng)級(jí)節(jié)點(diǎn)（即上位機(jī)）將整體任務(wù)分解為一級(jí)子任務(wù)下發(fā)到工人級(jí)節(jié)點(diǎn)（即同步控制器）或以查詢的方式獲取機(jī)械手的狀態(tài)。通過(guò)控制各個(gè)肢體級(jí)節(jié)點(diǎn)，多機(jī)械手能夠獨(dú)立地完成一級(jí)子任務(wù)，同時(shí)機(jī)械手之間也可以通過(guò)同步控制器完成狀態(tài)信息的交互，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并行執(zhí)行。該設(shè)計(jì)將控制中心劃分給同步控制器節(jié)點(diǎn)，機(jī)械手在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中擺脫了上位機(jī)的大部分干預(yù)，上位機(jī)更多的是起到監(jiān)視記和錄的作用。工人節(jié)點(diǎn)在二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中處于支配地位。它將接收到的一級(jí)子任務(wù)分解為二級(jí)子任務(wù)，使任務(wù)清單層層細(xì)化。同步控制器還兼具分支信息過(guò)濾的作用，降低了信息通道的通訊負(fù)荷。在任務(wù)的調(diào)度上，同步節(jié)點(diǎn)能根據(jù)節(jié)點(diǎn)的算法為相應(yīng)的肢體級(jí)節(jié)點(diǎn)索引底層的二級(jí)子任務(wù)，為任務(wù)的調(diào)整和修改提供了獨(dú)立的空間。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)計(jì)將系統(tǒng)的控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，控制體間既有橫向的交互也有縱向的控制拓展。同時(shí)，控制的下移也代表著通信負(fù)荷的重新分配，使信息流向更趨合理。同步控制器的任務(wù)分配和信息傳輸具有一定的周期性，使控制器中預(yù)置控制程序的編寫(xiě)和修改大大簡(jiǎn)化，各機(jī)械手的動(dòng)作流程和運(yùn)行軌跡更加趨于模塊化，系統(tǒng)的靈活性和可靠性增強(qiáng)。

1.2 同步控制器硬件結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)采用圖2的通訊板連接，其芯片采用ARM的LPC11C14，CAN收發(fā)模塊選用CTM8251。LPC11C14包含片上C_CAN驅(qū)動(dòng)的CAN控制器，作為節(jié)點(diǎn)間的通訊接口，具有CAN總線通訊能力，有效地支持了多機(jī)械手的實(shí)時(shí)控制。在各通訊節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)上，中繼器和同步控制器結(jié)構(gòu)相同，使硬件互換性提高，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單易操作。

圖2 網(wǎng)橋/同步控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 同步節(jié)點(diǎn)控制程序

同步控制器能夠?qū)χw級(jí)任務(wù)進(jìn)行分解、協(xié)調(diào)和分配，負(fù)責(zé)狀態(tài)的監(jiān)控及反饋，直通信息的傳遞等。所以同步控制器的兩個(gè)M0芯片分配有不同的功能，定義為：狀態(tài)芯片M0_1和任務(wù)芯片M0_2。狀態(tài)芯片主管運(yùn)行狀態(tài)，儲(chǔ)存二級(jí)子任務(wù)的完成情況及其他相關(guān)狀態(tài)信息；任務(wù)芯片主管任務(wù)調(diào)度，二級(jí)子任務(wù)的決策及Flash存儲(chǔ)器的任務(wù)索引等，任務(wù)的增加、刪減及順序的修改都能在該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一級(jí)子任務(wù)指令到達(dá)同步節(jié)點(diǎn)后，控制程序通過(guò)判斷狀態(tài)芯片內(nèi)的狀態(tài)信息來(lái)索引任務(wù)芯片F(xiàn)lash中的清單任務(wù)，并經(jīng)CTU（CAN To UART的縮寫(xiě)）傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，二級(jí)子任務(wù)完成后狀態(tài)芯片即改寫(xiě)狀態(tài)變量，以供后續(xù)查詢。判斷狀態(tài)-索引任務(wù)-更改狀態(tài)三個(gè)階段循環(huán)執(zhí)行，輔助完成一級(jí)子任務(wù)。

圖3 同步節(jié)點(diǎn)控制程序流程圖

同步控制器將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)改造成分級(jí)遞階的結(jié)構(gòu)，使智能體具有了一定的自主性。另外，片內(nèi)存儲(chǔ)器的使用能夠起到掉電保護(hù)的作用，使系統(tǒng)能夠在斷電重啟后仍保持系統(tǒng)掉電前的工作狀態(tài)。

3 地址分配

系統(tǒng)在不同的運(yùn)行模式下，任務(wù)指令和狀態(tài)信息所能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)范圍不同，如在調(diào)試模式下，上位機(jī)可以將指令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)，而在正常運(yùn)行模式下，同步節(jié)點(diǎn)可以向平行節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息或向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送二級(jí)子任務(wù)。這就要求系統(tǒng)能夠在全局進(jìn)行縱向和橫向的通訊，而CAN節(jié)點(diǎn)ID的配置則在其中起著關(guān)鍵作用。

考慮到所設(shè)置ID地址中要包含中繼器，同步控制器，CTU地址以及其他預(yù)留位信息，所占用的位數(shù)較多，所以使用29位ID地址的擴(kuò)展幀較為合適。如表1所示。

表1 ID接收地址的分配表

對(duì)于CAN報(bào)文的接收過(guò)程，我們采用分層式的地址接收方式加方向位輔助配合。該方式整體分為三層，由上到下各層分別對(duì)應(yīng)中繼器位、同步控制器位和CTU位?？v向發(fā)送信息時(shí)，接收地址層層遞進(jìn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只對(duì)比接收相應(yīng)層級(jí)上的的相應(yīng)地址位，中繼器即通過(guò)中繼器位的仲裁對(duì)接收的報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾，信息流在該層節(jié)點(diǎn)分流。同時(shí)，由于分層式地址接收方式只過(guò)濾本層級(jí)的地址位，同步節(jié)點(diǎn)可以只設(shè)置同步控制器位將報(bào)文約束在工人級(jí)的控制層，完成機(jī)械手間的橫向信息交互。

這種地址設(shè)置方式降低了統(tǒng)籌設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，不需要反復(fù)的全局衡量和計(jì)算，ID和MASK設(shè)置較之前更加直觀簡(jiǎn)單。相對(duì)集中的地址位設(shè)置使該種方式的ID配置與硬件的結(jié)合成為可能，如撥碼開(kāi)關(guān)的使用等，能夠簡(jiǎn)化通訊設(shè)備的安裝和更換，降低了操作人員的技術(shù)要求水平。

4 組合幀

從不同的運(yùn)行模式看，8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀不能完全滿足單次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，特別是在調(diào)試模式下，上位機(jī)單次下發(fā)的數(shù)據(jù)甚至?xí)^(guò)20個(gè)字節(jié)，必須進(jìn)行幀數(shù)據(jù)的組合傳輸。以上位機(jī)發(fā)送到續(xù)紗機(jī)器人下的CTU3節(jié)點(diǎn)為例，發(fā)送過(guò)程如表2和表3所示。

表2 ID配置

表3 組合幀發(fā)送過(guò)程

在傳輸過(guò)程中，CAN報(bào)文的接收是對(duì)擴(kuò)展幀特定地址區(qū)域的仲裁，解決的是信息來(lái)源的問(wèn)題，數(shù)據(jù)的去向則是由主程序配合完成。程序提取并檢查擴(kuò)展幀中相鄰層級(jí)的地址位（向下發(fā)送時(shí)，則檢查下一級(jí)地址位；反之則檢查上一級(jí)地址位），決定是否繼續(xù)發(fā)送。

組合幀解決了長(zhǎng)字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，彌補(bǔ)了CAN報(bào)文8字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜毕荩归L(zhǎng)字節(jié)數(shù)據(jù)能夠順利到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)確定了并行任務(wù)控制系統(tǒng)分層式的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)，將部分控制功能配置給工人級(jí)節(jié)點(diǎn)，使機(jī)械手具有一定的自主性，實(shí)現(xiàn)了并行任務(wù)和串行任務(wù)的交叉控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制靈活性。文中提出基于CAN總線的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，采用分層式的地址分配方式，實(shí)現(xiàn)了分支信息的過(guò)濾及橫向信息的傳輸，同時(shí)，組合幀過(guò)程還解決了CAN報(bào)文數(shù)據(jù)空間不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)字節(jié)數(shù)據(jù)在CAN總線中的傳輸?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)促進(jìn)了阿克明斯特地毯織造系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，使分布式控制技術(shù)更好的應(yīng)用于紡織行業(yè)。

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