雙臂單腿跳躍機(jī)器人的實(shí)時控制技術(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://www.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)先對控制系統(tǒng)的實(shí)時性能作出驗(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)送四個控制量)；實(shí)驗(yàn)中所用到的一次矩陣運(yùn)算，指對某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)值為信號電壓大小，單位為V。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

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)雜算法的時耗，從而實(shí)驗(yàn)中顯示的實(shí)時性性能同樣也可以說明實(shí)際可用的實(shí)時性。

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采得的輸入信號經(jīng)CAN通信送給PC，PC由此來計(jì)算控制量(隨動控制中，輸入／輸出只是簡單的比例關(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，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)存儲按鈕對應(yīng)的功能)。再借助Matlab的曲線繪制功能來對實(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)時性，以下實(shí)驗(yàn)均在插入100次矩陣運(yùn)算(時耗約為10 ms)的情況下進(jìn)行。

(1)對位置的跟蹤

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，控制量的不及時到位，造成’DSP在大部分時間都輸出零。這個輸出加在電機(jī)上，根本無法控制電機(jī)隨動。

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

(2)對速度的跟蹤

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。位移傳感器不動時電機(jī)不轉(zhuǎn)，正向動正轉(zhuǎn)，反向動反轉(zhuǎn)。

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

4 結(jié) 語

通過對上下位機(jī)模式控制系統(tǒng)的深入分析，發(fā)現(xiàn)，在控制同路中，對上位機(jī)的要求不是精確定時，而足及時響應(yīng)，這恰使得在 Wndows平臺下開發(fā)上位機(jī)控制軟件成為可能。由此，本文提出一種“DSP定時PC從動”實(shí)時控制方式，并引入了緩沖機(jī)制等提高實(shí)時性的關(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)時性能。

本文所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)考慮較苛刻的時間及環(huán)境閃素，能說明整個系統(tǒng)具有良好的實(shí)時性。該實(shí)時控制方案的可行，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。