机器通讯（精选3篇）
机器通讯 篇1
引言
目前世界各国在消防救援上主要使用遥控型机器人, 不仅需要专业人员进行远程操控, 以摄像机捕捉的场景进行远程操作难度较大;而且在火灾发生到从消防中心搬运机器人至现场也可能会错过最佳的救援时间。一些实验室和公司正在攻克自主救援机器人的难题, 有望在救援时实现机器人的自主工作。同时, 机器人协同工作也是机器人领域的一个研究方向, 不同功能的机器人具有明确的分工, 通过通讯协作完成复杂的任务。
1. 研究内容
构建一种基于内部通讯的的全自动灭火救援机器人系统, 包括上位机、灭火机器人、救援机器人和墙体固定传感器四个部分。上位机与墙体固定传感器实现一对多形式的通讯模块连接, 工作时墙体固定传感器单方向发送数据给上位机。上位机软件对数据处理后, 通过通讯模块向灭火机器人与救援机器人发送指令, 机器人也可以向上位机反馈传感器接收的数据以及自身的工作情况。
1.1 墙体固定传感器
(1) 主要构成:微处理器, 排风报警系统, 通讯模块, 火焰传感器和可燃性气体传感器等火情监测传感器, 红外人体释热传感器和多普勒位移传感器等;
(2) 安装位置:在每个房间的墙体上固定安装;
(3) 功能:实时监测房间内的各种数据, 如果出现某个指数超标, 则立即不间断的发送数据到上位机, 直到指数达到正常水平;实现蜂鸣器的报警功能与排风系统的工作;通过人体红外释热传感器和多普勒位移传感器实现对被困人员的监测。
1.2 上位机
(1) 主要构成:上位机软件, 微处理器, 通讯模块等;
(2) 功能:处理从墙体固定传感器、救援机器人和灭火机器人接收到的数据, 综合处理之后, 发指令控制各个部分执行相应操作。在救援人员介入灭火救援后成为整个系统的控制端, 为救援人员提供火灾和救援情况等信息。
1.3 灭火机器人
(1) 主要构成:微处理器, 灭火系统, 多种传感器 (模拟量输出火焰传感器, 距离传感器, 记米器, 光电传感器, 角速度传感器, 加速度传感器等) , 通讯模块等;
(2) 功能:接受上位机的指令执行自动规划路径, 寻找火源并扑灭火源, 向上位机传输数据。
1.4 救援机器人
(1) 主要构成:微处理器, 救援系统 (救援舱, 机械臂等) , 多种传感器 (人体红外释热传感器, 距离传感器, 记米器, 光电传感器, 角速度传感器, 加速度传感器等) 、高清摄像头、视频无线传输模块、通讯模块等;
(2) 功能:自动工作模式下接受上位机的指令执行自动规划路径, 寻找被困人员时使用安全舱收纳被困人员, 将被困人员运送到预设的安全地点后执行自动搜索指令;受控模式下上位机可控制机器人行进路线, 可使用机械臂实现清障功能, 可通过摄像头获得以救援机器人第一视角的实时视频;可向上位机传输数据。
2. 具体实施过程
2.1 墙体固定传感器向上位机发送数据
正常情况下, 上位机和墙体固定传感器处于开机状态, 救援机器人和灭火机器人处于休眠状态;墙体固定传感器不间断向上位机发送数据。当有异常情况发生时, 上位机空中唤醒救援机器人和灭火机器人置于工作状态。如果墙体固定传感器检测到可燃性气体超标会打开排风系统, 直到危险解除。
2.2 上位机控制灭火机器人灭火
墙体固定传感器检测到明火, 会立即向上位机发送异常点的位置、传感器接收到的数据, 同时通过蜂鸣器向场地人员报警。上位机会向灭火机器人发送指令, 灭火机器人自动计算路径以最短时间到达指定地点勘察具体情况并实施灭火及数据采集, 同时, 墙体固定传感器也会检测着火点的火情, 如果灭火机器人顺利灭火, 灭火机器人复位, 补充电能, 关闭蜂鸣器;如果灭火机器人和墙体固定传感器检测到火势已超出自身能力范围, 则上位机实现网络报告火警, 说明具体地点和火势, 灭火机器人继续灭火。
2.3 上位机控制灭火、救援机器人协同工作
当火势过大并检测到有被困人员, 墙体固定传感器会立即向上位机发送位置信息, 上位机在处理之后会立即向救援机器人发送指令, 前往指定地点实施救援, 如果救援机器人在预定位置检测到被困人员, 则立即打开安全舱, 待被困者进入安全舱, 迅速撤离火灾现场, 运送至指定的安全地点。在运送完后, 救援机器人实现自动搜索, 营救被困人员。火源全被扑灭后系统还原, 并完成对机器人的电能补充。
2.4 救援机器人的工作模式切换
若救援人员赶到现场, 可通过上位机向救援机器人发送指令, 救援机器人暂停自动工作状态 (灭火机器人仍继续工作) , 此时救援机器人的行为以及安装在机器人上的起清障作用的机械手和救援舱可以通过上位机控制实施救援, 同时可通过上位机打开视频传输通道, 接受救援机器人发回的实时图像。
3. 研究的创新点
(1) 实际使用中上位机和墙体固定传感器处于开启状态, 在火灾发生后机器人及时启动, 在一定程度上加快了火灾后的反应能力, 也强调了系统的节能性。
(2) 起火后系统立即做出反应, 通知场地工作人员并迅速根据情况派出不同的机器人。实现机器人的协同工作, 通过通讯模块实现机器人与上位机的数据通讯。
(3) 墙体固定传感器实现全覆盖, 可以实现数据的采集和简易的排风报警等功能;救援机器人的自动工作状态和受控状态的切换, 为救援提供更多的选择。
4. 研究展望
(1) 通过延长履带底盘的长度并提高其稳定性, 使得机器人能够自主爬楼, 通过拓扑结构完成多层楼的信息交互, 若某层楼的情况较为严重可调集其他楼层的机器人前往。
(2) 通过金属的涡流效应制备具有辨别火源类型功能的传感器并搭载在墙体固定传感器上, 针对金属火源和非金属火源采用不同的处理方法。
(3) 通过搭载热成像仪和摄像头多旋翼飞行器自主绕起火楼飞行并捕捉数据, 为救援人员提供更丰富的数据。
5. 结语
通过灭火机器人、救援机器人与上位机的通讯, 墙体固定传感器与上位机的通讯, 实现机器人间的协同工作。本机器人系统在迅速反应从而减少火灾带来的财产损失、救援被困人员上起着不可估量的作用;同时也由于本系统制备工艺简单带来成本较低, 占地面积较小, 操作难度低, 具有可观的经济效益和应用前景。
机器通讯 篇2
机器人舵机又称为总线伺服型数字舵机或总线伺服舵机，它通过总线接收控制器发出的指令并按照指令规定的转速转动相应的角度，还能将力矩、电流、温度、角度等信息反馈给舵机控制器，以实现更高质量的控制，是一种新型的适用于中小型机器人的执行机构[1]。本文介绍的机器人舵机以MC9S08AW60单片机为主控单元，通过VCC和GND(电源线)，SCL和SDA(I2C总线)共4根线与外界相连。
2 硬件结构简介
本款机器人舵机的主要特点是主控单元(S08 MCU)通过SCL和SDA两根数据线(I2C总线接口)与舵机控制器进行交互，即接收来自舵机控制器的控制指令，并将检测到的状态信息反馈给舵机控制器。其硬件结构如图1所示。
3 通讯模块设计
S08微控制器上已经集成的I2C总线通讯功能使得本套机器人舵机系统通讯程序的开发难度大大降低。本机器人舵机通讯模块设计的主要任务是如何在I2C总线通讯协议的基础上设计出更加精简高效的控制指令、反馈信息和如何实现通讯模块程序的编写两大部分。
3.1 舵机控制指令的约定
在START信号和设备地址(R/W位置0)发送完毕后，舵机控制器紧接着发送的数据即表示舵机的控制指令。本舵机系统大大简化了控制指令集及其约定方式，降低了数据传输量，因此编程和控制起来更加方便。为叙述方便，以下内容均省略了SCL时钟信号和SDA的应答位。
设备地址修改指令的约定如图2所示，它共由一个字节组成，其高7位(Bit7-Bit1)为新设备地址，最低位(Bit0)保留，注意不得与I2C总线通讯协议中规定的保留地址0000xxx和1111xxx相冲突[2]。
转速和转角控制指令的约定如图3所示，其中第一个字节的Bit 7位为应答位(ASK位)，用来设置舵机是否反馈状态信息给舵机控制器，为1表示反馈，为0则不反馈。舵机转速可以设置25个档位，转角可以设置210个位置点，因此理论位置分辨率λ=180°/210≈0.18°。
设备地址修改指令与转角和转速控制指令在构成方式上是有明显区别的，舵机在接收一个START信号、一个字节的设备地址和一个字节的指令后，若紧接着接收的又是一个字节的指令，则认为本次接收的是转角和转速控制指令，但若紧接着接收的不是一个字节而是一个STOP信号，则认为本次接收的是设备地址修改指令。
舵机反馈信号的约定如图4所示，共由4个字节组成，注意传输设备地址时R/W位需置1。
3.2 通讯程序示例
下面给出基于S08AW60 MCU及其I2C总线模块所编写的通讯处理程序的部分示例代码。
3.3 完整的通讯程序流程图
本款机器人舵机完整的通讯模块处理程序的流程图如图5所示。
4 直流电机的控制
本款舵机系统需要对转动位置(角度)和转动速度两个参量进行控制，受限于S08单片机有限的运算能力，如果两项数字PID控制算法同时运行，不仅没有必要，而且还会大大增加主控器的运算负担和内存开销，从而造成程序运行不稳定甚至跑飞。在这里尝试采用位置、速度分时控制的办法解决该问题。
设Pc和Pd分别表示指令位置和检测位置，Vc和Vd分别表示指令转速和检测转速，ep和ev分别表示位置差(指令位置和检测位置的差值)和速度差(指令转速和检测转速的差值)，ξ为某个大于λ(位置分辨率)的变量，up和uv分别表示位置和转速的控制量，对位置和转速分别采用位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[3,4,5]，可以得出以下算式：
当位置差ep大于ξ时，则认为指令位置和检测位置之间尚存在较大的位移空间，此时只对转速进行增量式数字PID控制，控制的目的是让舵机以指令转速平稳地转动。当转到位置差ep小于ξ时，则认为指令位置和检测位置已经足够接近，此时停止对转速的控制，仅对转角进行位置式数字PID控制，使得舵机不断地调整转动角度和方向，直至ep<=λ为止。这里的ξ可以根据舵机的初始位置、指令位置和指令转速来确定，其确定规则可以通过实验法获得几组不同情况下的最佳ξ值，然后使用多元函数逼近法获得其近似数学模型，此处由于篇幅所限不再展开讨论。
图6演示的是当确定ξ的取值后，机器人舵机以恒定速度(单位1)转动8s后停止时的转速曲线，在接近指令位置时(靠近第8秒的某一点)速度曲线开始迅速下降，由转速控制切换为位置控制。在8s后的某一小段时间内转速变为负值，即在舵机转动超过指令位置后会有个反向调整的过程，并最终在逐步靠近指令位置的过程中逐渐减小为0。
5 结语
通过比较分析，本舵机的通讯协议更加精简，因此控制起来更加方便。同时由于减少了数据通讯量，数据传输的稳定性和可靠性也得到提高。采用位置和速度分时控制的方法，减少了单片机的计算负担和内存开销，从而降低了对主控器运算性能的要求，在降低控制成本的同时提高了程序运行的稳定性。
参考文献
[1]李北斗.数字舵机驱动控制的研究和设计[J].计算机时代,2008(11):22-24.
[2]王威.嵌入式微控制器S08AW原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[3]罗志强.MATLAB在电机仿真中的应用[J].电气传动自动化,2009,31(4):56-59.
[4]李赛辉,雷金奎.基于DSP的数字舵机控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2009,17(3):484-486.
机器通讯 篇3
由840D数控系统和工控机测量系统共同构建的测控系统是用于实现装配中多个零件多参数的测量和位置调整,以保证各零件按既定的顺序和位置关系实现准确装配。在对每个零件进行装配时,首先需要进行参数的测量,测量时零件通过运动,以获得测量数据,其测量结果是控制零件作位置调整的依据,因此,两个系统在测量前后均需要进行数据的双向交换。在设计中,采用了集成于840D系统中的PLC组件CP341通讯处理器作为两个系统信号传输的纽带,并进行通讯协议、NC和PLC软件的开发来实现两个系统间数据的自动交换。其系统构成如图1所示。
在图1中,西门子840D数控系统对零件装配时所需的运动进行控制,工控机测量系统通过采集卡、CCD和激光传感器实现零件的中心位置、空间姿态和方位等参数的测量,PLC组织需要进行交换的数据,如:各轴的位置坐标、测量命令、状态信号等,并通过CP341通讯处理器的RS232接口与工控机的RS232连结,实现数据的发送和接收。
2 通讯协议设计
在CP341上固化有3964(R)通讯协议,用S TEP7中的专用组态工具可直接设置传输的波特率、数据位数、停止位数和奇偶校验以及接收帧结束方式等,但由于通讯双方需要遵循相同的通讯协议,因此,在通讯方工控机端则需要进行3964(R)通讯协议软件开发,在设计中,工控机端是在windows环境下,用VC语言进行该协议的开发。
数据传输时,3964(R)在发送数据前后加一些控制字符形成发送信息帧,控制字符既是表示信息帧开始或结束的标志,也是发送方与接收方的握手信号,还可用来保证传输数据的完整,控制字符有:正文开始字符STX(ASCII码为02H),数据链路转换字符DLE(10H),正文结束字符ETX(03H),块校验字符BCC和否定应答字符NAK(15H)。
3 定义发送和接收数据块的结构
在机器人测控系统中,需要定义通讯双方发送和接收的数据块,本设计是以840D数控系统为控制主机,通过CP341通讯处理器向工控机测量系统发送的数据块结构定义为DB110(如图2所示),从工控机端接收的数据块结构定义为DB111(如图3所示)。
在图2中,需要测量的任务,由字符‘T’(DB0)和序号1-8(DB1)组成,对应T1―T8命令;当前零件号1――9(DB4);状态命令DBX2.0和DBX3.0;各轴坐标:轴名DBW10、当前坐标值DBD12,轴名DBW16当前坐标值DBD18…等。
在图3中,当前测量的任务,由字符‘T’(DB0)和序号1-8(DB1)组成,对应T1―T8命令;当前测量零件号1――9(DB4);状态命令:测量系统在测量中DBX2.0、测量系统测量结束DBX2.1、测量系统准备好DBX3.0、测量系统重复测量DBX3.1、测量系统测量数据有效DBX3.2等;各轴名及轴调整的坐标值:轴名DBW10、调整坐标值DBD12,轴名DBW16目标坐标值DBD18…等。
4 CP341通讯处理器发送和接收数据的设计
CP341通讯处理器提供了标准的S7软件功能块FB2和FB3,FB2用于实现PLC接收工控机端的数据,并存储到数据块DB111中,FB3用于实现将PLC数据块DB110中的数据发送到工控机通讯方。
由于不同的测量任务,DB110中的数据内容有所不同,在设计中,通过主控系统840D的NC执行不同的M功能(M51-M58)和T功能,对应测量系统不同的测量任务和零件号,同时,PLC根据不同M功能,对DB110相应数据进行填充。如当执行M51指令时,
当NC程序执行M50指令时,启动FB2,完成各任务数据的接收,NC根据接收的调整坐标值对各轴进行调整。过程如下:
5 结束语
由CP341通讯处理器来建立两个独立智能系统间的通讯连结,实现了系统的有效集成,并通过开发3964(R)通讯协议、PLC和NC程序等,保证了大量数据和信号传输的实时性、稳定性和可靠性,提高了整个机器人装配过程的自动化,并在实际装配中得到应用。
参考文献
[1]Siemens,Install&Start-up Guide-FM-NC/840D/611D/MMC,Germany,2000,7.
[2]Siemens,Description of Function,Germany,2000,7.
[3]Siemens,Program Guide-Advanced,Germany,2000,7.
[4]Siemens,S7-300 Programmable Controller Hardware andInstallation,Germany,2000,3.
[5]Siemens,Cp341 Manual,Germany,2000,10.