基于CANopen協(xié)議的救援機器人調(diào)試系統(tǒng)

在災后救援現(xiàn)場，為實現(xiàn)廢墟環(huán)境下的靈活移動，增強對各種復雜地形的適應性，機器人需要具有多個關節(jié)，并且各關節(jié)需要獨立運動。在搜索和救援過程中，為了能在諸如陡坡、樓梯、管道及廢墟等復雜環(huán)境下自由移動，要求機器人具備多種運動姿態(tài)并且能迅速改變姿態(tài)以滿足不同環(huán)境的需求。因此要求機器人的各關節(jié)具有良好的運動特性。

關節(jié)運動性能的好壞決定了機器人能否適應在復雜環(huán)境中靈活運動的要求，是評價救援機器人性能的一個重要指標。為了對機器人各關節(jié)運動性能進行測評，通過建立與機器人各關節(jié)控制器相連的運動控制主站，實現(xiàn)對關節(jié)控制器的組態(tài)與監(jiān)視，并通過分析機器人運動關節(jié)反饋回的數(shù)據(jù)優(yōu)化控制參數(shù)，使得運動關節(jié)控制性能得以提高。針對運動控制中對各關節(jié)電機控制實時性與同步性以及結構靈活性的要求，提出了一種基于CANopen協(xié)議的救援機器人調(diào)試系統(tǒng)。

CANopen為基于CAN的高層協(xié)議，是最初由BOSCH公司提出的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。其具有可靠性高、抗干擾性強、開發(fā)簡單、造價低廉及其短幀傳輸和無破壞仲裁技術等特點，應用極為廣泛。CANopen是一個基于CAL的子協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O計，具有很好的模塊化特性和很高的適應性，通過擴展可以適用于大量的應用領域[1]。

1 方案設計

圖1所示為救援機器人調(diào)試系統(tǒng)框圖，包含電機控制器、基于CAN總線的網(wǎng)絡構架和PC機上的調(diào)試系統(tǒng)。

電機驅(qū)動器控制方法采用了三個基本控制環(huán)，即位置環(huán)、轉速環(huán)和轉矩環(huán)，各閉環(huán)采用PID算法控制，以便更加精確地控制電機；同時建立了CANopen從站，通過CAN總線將各電機驅(qū)動器和PC機上的調(diào)試軟件之間進行數(shù)據(jù)交換；PC機則通過PCI-CAN卡實現(xiàn)了CANopen主站，從而方便對電機驅(qū)動器上的電機數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和處理，并發(fā)送調(diào)試系統(tǒng)所發(fā)出的命令；采用NI公司的Labview調(diào)試系統(tǒng)上位機的程序編寫。

2 CANopen從站設計

2.1 硬件設計

電機控制器用來對救援機器人關節(jié)進行精確控制，是系統(tǒng)的關鍵?？刂破鞑捎肕C56F8322微控制器作為控制核心，圖2為系統(tǒng)框圖。

電機控制器采集速度、電流、電壓三種參數(shù)，各路采用PID閉環(huán)對電機進行精確控制。CAN總線部分采用MC56F8322內(nèi)置MSCAN模塊，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的構架；CAN總線收發(fā)器與控制器之間采用高速光電隔離器件6N137實現(xiàn)信號隔離；同時采用隔離型DC-DC變換器實現(xiàn)電源隔離，從而提高了現(xiàn)場抗干擾能力。除了以上主要部分以外，還有CPU監(jiān)控器、功能選擇開關以及LED指示部分。LED分別用于電源指示、CAN接口當前的收發(fā)狀態(tài)指示以及接口的通信故障(如總線關閉)指示。

2.2 軟件設計

CANopen從站移植了CANopen協(xié)議的開源代碼CanFestival，該開源代碼實現(xiàn)了CANopen協(xié)議的全部內(nèi)容。在系統(tǒng)軟件設計時，只需完成CAN的硬件設置、對象字典的定義以及canDispatch()函數(shù)的調(diào)用即可。

CANopen協(xié)議的核心部分是對象字典（Object Dictionary），通過對象字典對設備功能進行描述。CANopen對象字典是一個有序的對象組，每個對象采用一個16位的索引來尋址，其范圍在0x1000～0x9FFF之間。為了允許訪問數(shù)據(jù)結構中的單個元素，定義了一個8 bit的子索引。CANopen設備的功能及特性用電子數(shù)據(jù)表單（EDS）的形式描述，實際的設備設置通過設備配置文件（DCF）進行描述[1]。系統(tǒng)中電機的速度、電流、電壓是最重要的監(jiān)控信息，故將其定義在如下結構體中：

typedef struct{
float voltage； //電壓
float Current； //電流
float velocity； //速度
}MotorPara；
本系統(tǒng)的電機控制器是以非標準設備設計的，根據(jù)對象字典結構應定義在制造商特定規(guī)范區(qū)域2000h~5FFFh之間。如表1所示。


3 CANopen主站設計

CANopen協(xié)議采用對象字典(OD)、電子數(shù)據(jù)文檔(EDS)等概念來描述設備和協(xié)議的相關信息，還規(guī)定了網(wǎng)絡管理(NMT)、服務數(shù)據(jù)對象(SDO)、過程數(shù)據(jù)對象PDO等多種通信機制[1]。在CANopen主站中，利用LabVIEW實現(xiàn)了NMT、SDO和PDO等功能。

3.1 NMT

NMT是提供對網(wǎng)絡上所有節(jié)點的狀態(tài)和行為的控制及監(jiān)測機制，在CANopen網(wǎng)絡中只允許一個NMT主節(jié)點處于激活狀態(tài)。只有NMT主節(jié)點能夠傳送NMT模塊控制報文，所有從設備必須支持NMT模塊控制服務[1]。

通過NMT消息可以對節(jié)點狀態(tài)進行操作，LabVIEW中的具體實現(xiàn)如圖3所示。首先根據(jù)NMT消息格式通過數(shù)組函數(shù)將COB-ID、RTR、LEN、Node-ID及STATUS捆綁為U8數(shù)組，由于VISA僅支持U8字符串發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要將U8數(shù)組轉換為U8字符串。然后調(diào)用VISA Write函數(shù)實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)發(fā)送。


3.2 SDO

SDO采用客戶(Client)/服務器(Server)通信方式, 通過索引和子索引向應用程序提供訪問對象字典的客戶接口。SDO是一種需要請求和應答的點對點通信方式, 允許任意長度的數(shù)據(jù)通信[1]。PC機上管理控制系統(tǒng)采用SDO方式對通用溫度和整流器控制器參數(shù)進行配置, 完成控制器工藝參數(shù)的配置和控制模式的切換等。

CANopen協(xié)議規(guī)定SDO消息為8 B長度，第1個字節(jié)為命令碼，第2、3個字節(jié)為索引，第4個字節(jié)為子索引，其余字節(jié)為消息所攜帶的數(shù)據(jù)。與NMT消息處理類似，SDO消息也是先通過數(shù)組函數(shù)根據(jù)SDO的消息格式創(chuàng)建一個U8數(shù)組，之后將數(shù)組轉換為U8字符串，最后通過USB發(fā)送。具體實現(xiàn)如圖4所示。

在CANopen通信機制中，服務器收到SDO信息后必將應答，所以主站必須處理服務器返回的SDO消息。消息的處理過程為，首先根據(jù)COB-ID攜帶的功能碼判斷是否為SDO消息，然后判斷SDO消息中的命令字字節(jié)，根據(jù)不同的命令字做出相應的處理。

3.3 PDO

PDO采用生產(chǎn)者/消費者通信方式, 數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費者，數(shù)據(jù)長度限制在8個字節(jié)之內(nèi)。PDO 通信沒有協(xié)議規(guī)定, PDO報文的內(nèi)容是預定義或者在網(wǎng)絡啟動時配置，因此多用于實時數(shù)據(jù)傳輸，工藝過程中工藝參數(shù)的傳送由PDO實現(xiàn)。CANopen中定義的PDO消息與正常的CAN幀格式相同， LabVIEW下實現(xiàn)方法可參考NMT及SDO。

調(diào)試系統(tǒng)上位機可以監(jiān)視在不同的PID參數(shù)控制時電機的響應特性，從而為控制參數(shù)優(yōu)化提供直觀的依據(jù)。由此可見，基于CANopen網(wǎng)絡的救援機器人調(diào)試系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對運動關節(jié)各項參數(shù)的實時監(jiān)控和控制，并且可以對電機控制參數(shù)進行在線配置，對救援機器人的穩(wěn)定運行提供了極大的保障。