雙臂單腿跳躍機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在雙臂單腿跳躍起機(jī)器人研究的前期，因?yàn)槔碚摵?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/技術(shù)">技術(shù)水平的限制，尚不能馬上進(jìn)入聯(lián)機(jī)調(diào)試階段。但可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)先對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能作出驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中：

控制周期為5 ms；緩沖區(qū)大小為4(即一次發(fā)送四個(gè)控制量)；實(shí)驗(yàn)中所用到的一次矩陣運(yùn)算，指對(duì)某10維方陣的求逆并乘于另一方陣，系調(diào)用Matcom C++矩陣庫實(shí)現(xiàn)。一次運(yùn)算時(shí)間約0.1 ms。矩陣運(yùn)算的作用是模擬實(shí)際控制中進(jìn)行的運(yùn)算量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣頻率為200 Hz，數(shù)據(jù)值為信號(hào)電壓大小，單位為V。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

構(gòu)造一個(gè)由輸入控制輸出的系統(tǒng)，即輸出跟隨輸人的動(dòng)作，這類似于生物的反射回路，雖然算法簡(jiǎn)單，但很能說明實(shí)時(shí)問題。實(shí)時(shí)性不好，輸出就不能很好隨動(dòng)，對(duì)于生物就是反應(yīng)遲鈍。所以即使從直觀上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也能反應(yīng)出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好壞。

上位機(jī)中插入上百次的矩陣運(yùn)算用以模擬實(shí)際中復(fù)雜算法的時(shí)耗，從而實(shí)驗(yàn)中顯示的實(shí)時(shí)性性能同樣也可以說明實(shí)際可用的實(shí)時(shí)性。

實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。

控制軟件的運(yùn)行界面如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，A／D采得的輸入信號(hào)經(jīng)CAN通信送給PC，PC由此來計(jì)算控制量(隨動(dòng)控制中，輸入／輸出只是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系)再經(jīng)CAN發(fā)送給DSP，最后由DA輸出給電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)最終要得到輸入與輸出曲線，看輸出能否很好地跟隨輸入。具體操作上，DSP在把控制量送給D／A的同時(shí)，也回送給PC，所以輸入和輸出數(shù)據(jù)都可由PC采集(即圖中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鈕對(duì)應(yīng)的功能)。再借助Matlab的曲線繪制功能來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

為顯示系統(tǒng)在高負(fù)荷運(yùn)算下的實(shí)時(shí)性，以下實(shí)驗(yàn)均在插入100次矩陣運(yùn)算(時(shí)耗約為10 ms)的情況下進(jìn)行。

(1)對(duì)位置的跟蹤

輸出等于輸入，如圖7所示，可以看到他們幾乎重合。幾處不吻合的地方是因預(yù)估造成的，也說明那一刻PC并未順利將控制量發(fā)送給DSP(100次矩陣運(yùn)算造成的)，DSP靠讀取其緩沖區(qū)中的估計(jì)控制量工作，但并不影響整體的控制效果。

如果不啟用緩沖，PC一次只發(fā)送1個(gè)控制量，將得到如圖8所示結(jié)果。

因?yàn)镈SP默認(rèn)的輸出是零，控制量的不及時(shí)到位，造成’DSP在大部分時(shí)間都輸出零。這個(gè)輸出加在電機(jī)上，根本無法控制電機(jī)隨動(dòng)。

這就是為仆么在前面說緩沖對(duì)提高實(shí)時(shí)性效果最顯著，他彌補(bǔ)上位機(jī)非實(shí)時(shí)的弱點(diǎn)，從而增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(2)對(duì)速度的跟蹤

為了更直觀地顯示系統(tǒng)響應(yīng)的快慢，可以讓電機(jī)來跟蹤位移傳感器的速度信號(hào)。位移傳感器不動(dòng)時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，正向動(dòng)正轉(zhuǎn)，反向動(dòng)反轉(zhuǎn)。

如圖9所示，為了保護(hù)電機(jī)，輸出值是輸入的1／5。可以看到，輸出對(duì)不同頻率變化的輸入都很好地隨動(dòng)。說明系統(tǒng)回路具備了較好的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié) 語

通過對(duì)上下位機(jī)模式控制系統(tǒng)的深入分析，發(fā)現(xiàn)，在控制同路中，對(duì)上位機(jī)的要求不是精確定時(shí)，而足及時(shí)響應(yīng)，這恰使得在 Wndows平臺(tái)下開發(fā)上位機(jī)控制軟件成為可能。由此，本文提出一種“DSP定時(shí)PC從動(dòng)”實(shí)時(shí)控制方式，并引入了緩沖機(jī)制等提高實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)，保證實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)具有較穩(wěn)健的實(shí)時(shí)性能。

本文所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)考慮較苛刻的時(shí)間及環(huán)境閃素，能說明整個(gè)系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。該實(shí)時(shí)控制方案的可行，有效降低了雙臂單腿跳躍機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本，是關(guān)鍵的階段性成果。