工业无线网络化控制系统结构及调度问题研究

无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用已成为当今工业领域中的研究热点。然而无线通信技术在恶劣的工业环境中通信质量严重下降，使得现有无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用受阻。为此在不断提高和改进无线信号传输性能的同时，更要在控制系统级层面上充分考虑无线通信技术的特点，进行相关系统结构和实时调度机制等方面的改进，以达到使系统产生的通信任务在应用层上得到可靠、实时调度的目的。同时也要从无线网络技术层面上入手，解决上层下达的通信任务在数据链路层中的实时调度问题。要设计适合工业无线网络化控制系统应用特点的MAC协议来有效调度网络所有节点的信息收发，减少高层下达的通信任务在网络中的平均时延，提高吞吐量，进而保证工业无线网络化控制系统的实时性。 因此，本文从工业无线网络化控制系统中的通信任务在数据链路层和应用层上的调度角度出发，以解决、改善工业无线网络化控制系统的实时性和可靠性等性能指标为目的。对工业无线网络化控制系统的结构、应用层调度策略和优化以及数据链路层中的MAC协议进行了系统的研究。主要工作和贡献有以下几点： （1）对工业网络化控制系统的基本问题和引入无线通信技术后产生的问题进行了探讨。在定性分析了工业环境对无线通信的影响及要求的同时，又推导出了无线通信的链路预算模型，并利用Matlab对该预算模型进行了建模，计算出了在工业级噪声指数和工业要求的误码率下，IEEE802.11b和IEEE802.15.4两大主流无线通信技术的链路预算情况及具体的量化数据。 （2）提出了工业无线网络化控制系统的双频二级拓扑结构和多路径传输机制。利用了无线信道特点和路径冗余优势，在系统级上改进了目前无线通信技术在工业网络化控制系统中的应用模式，部分缓解了无线通信技术在工业恶劣环境中的实时性和可靠性问题。为工业无线网络化控制系统结构的设计做了有益的尝试。同时，首次将DS-UWB技术应用于工业网络化控制系统中，设计出了基于该结构的UWB和FF及PROFIBUS的集成方案，为该结构的快速应用提供了有效的途径。 （3）提出了极大容忍无线通信时延的调度算法(GTD)。有效解决了工业无线网络化控制系统中周期性通信任务的实时性问题,部分弥补了因无线网络时延而导致周期性通信任务超时的缺陷。并针对GTD调度算法产生的通信窗口碎片问题进行了优化处理，又提出了面向非周期信息吞吐量最大化的优化调度算法，该算法提高了非周期性通信任务的吞吐量。同时，给出了基于这两种调度算法的非线性规划模型的调度时间表求解方法。 （4）提出了根据通信任务调度时间表进行分配无竞争期的混合CAP和CFP的MAC协议（HAF-MAC）。解决了工业无线网络化控制系统上层下达的周期性通信任务和非周期性通信任务在数据链路层中的实时调度问题，并有效解决了本文提出的应用层调度算法生成的预留时间可能存在浪费的问题。同时，在理论分析了HAF-MAC协议时隙利用率的基础上，提出了基于时隙的HAF-MAC（TSHAF-MAC）协议。TSHAF-MAC协议比HAF-MAC协议提高了时隙利用率，使吞吐量和平均延时得到了进一步改善，进而提高了非周期性通信任务的实时性。最后，对这两个协议进行了仿真建模与验证，进而较系统地解决了工业无线网络化控制系统中的通信任务的实时调度问题。 （5）分别将论文中的第三章和第四章的部分研究成果,在本人博士研究阶段研发的无线智能照明控制系统这一物理实验平台上进行了一定的验证。

广义预测控制方法在网络遥操作机器人系统中的应用

Internet网络的时变时延及网络数据丢包严重影响了遥操作机器人系统的操作性能,甚至造成系统不稳定。为了解决这一问题,提出一种新的基于Internet的遥操作机器人系统控制结构。通过在主端对给定信息加入时间标签获得过去的系统回路时延,采用多元线性回归算法,预测下一时刻系统回路时延,然后在从端设计一个广义预测控制器控制远端机器人,从而改善时变时延对系统性能的影响。应用广义预测控制器产生的冗余控制信息,降低了网络数据丢包对系统的影响。最后根据预测控制稳定性定理,推导出系统的稳定性条件。仿真试验结果表明,该方法能有效解决时变时延以及网络数据丢包引起的性能下降问题。

一种FPGA的嵌入式可重构机器人控制系统

提出一种基于FPGA的可重构嵌入式微处理器控制系统.在FPGA中嵌入两个NiosⅡ软核,用VHDL语言编写用户自定义组件.在一个由NiosⅡ软核组成的处理器上实现PWM信号生成、编码器信号处理以及多电机同步伺服运算等,在另一个处理器实现机器人任务管理.该控制系统针对微小型爬壁机器人的控制系统设计,不仅具有良好的实时多任务处理能力,而且具有可重构的特点,因而可应用于一类微小型机器人控制系统以提高其设计的灵活性.

机器人化月表采样器控制系统研究

在未来的深空探测任务中迫切需要采样任务的机器人化。为突破这一关键的技术,我们研制了一台六自由度的机器人化月表采样器原理样机,为其选择合理的控制方式并搭建了一套基于CAN总线的分布式控制系统。本文将详细介绍该机器人化月表采样器的工作原理及其控制系统的基本结构,并将阐述在操作采样器执行采样任务时采用的控制方式。最后搭建试验平台进行采样试验,验证采样器和控制系统的基本功能及其有效性。

基于DSP旋翼飞行机器人增稳操纵杆设计

本文首先介绍了旋翼飞行机器人控制系统的功能与应用,着重介绍了其中基于tmx320f28335数字信号处理器的无线增稳操控系统工作原理、硬件构架以及软件流程,并对AD转换过程中的关键FIR滤波算法进行说明,详尽比较了不同滤波参数对滤波效果的影响,最后得到该方法可以应用于旋翼飞行机器人增稳控制系统的结论,并将应用该方法滤波后的控制信号应用于实际增稳飞行,以实际数飞行据验证上述结论。

野外地面移动机器人系统设计与实现

本文针对机器人在野外地形环境下的高机动性要求,设计开发了减震机构,针对机器人轮-腿复合结构和驱动冗余特点,提出并开发了面向高速行进的牵引力控制算法和面向越障的构型控制算法,通过与环境建模技术结合,实现了机器人的遥控、自主导航、自主越障等功能,构成了机器人的分层式控制系统。

轮-履复合可变形机器人的移动机构参数分析

针对非结构环境地形特点,结合轮式、履带式移动机构在复杂地形环境中的运动特点,设计了一种适应于非结构环境的轮-履互换、履带几何形状可变化的复合型移动机器人。该轮-履复合型移动机器人的机构系统由一个控制箱体和两个相同的轮-履复合移动单元模块组成。每个轮-履复合移动单元模块由运动轮和几何形状可变的履带轮构成,在一个驱动力的作用下根据不同的约束环境而表现为轮式和履带式两种运动特征,同时此单元模块具有轮-履互换、履带几何形状可变等特点。运用理论推导、参数优化等方法对轮-履复合移动单元模块的机构参数进行了分析综合,并经仿真分析验证了机构参数选择的合理性,为轮-履复合、履带可变形移动机器人的机构参数化设计提供了理论依据。

轮-腿-履带复合移动机器人的研究

中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的灵豹复合移动机器人,采用轮-腿-履带复合移动机构,构建了嵌入式控制系统,设计了模糊控制器控制机器人行走,实现了机械臂的自主联动控制。机器人运动控制更加简便,系统具备良好的适应性和运动稳定性。

小型爬壁机器人系统设计与应用

针对一种小型的双足爬壁机器人,设计开发了基于DSP2812处理芯片的控制系统.该机器人系统采用双足真空吸盘式结构和用3个电机驱动5个关节的欠驱动结构.双足真空吸盘式结构使其可以在光滑的墙面和天棚行走,又能够在交接面之间完成跨步行走.而欠驱动结构减少了电机的数目,从而减小了机器人的尺寸和降低了机器人的质量和能量消耗,但它也给机器人的控制和运动规划带来了新的挑战.已完成的系统设计包括运动模式设计、关节控制、通信模块设计和吸盘足控制等.实验结果证明了所提出方案的可行性.

一种输电线路巡检机器人控制系统的设计与实现

介绍了一种超高压输电线路巡检机器人控制系统的设计与实现方法.根据巡检作业任务的要求,采用遥控与局部自主相结合的控制模式实现巡检机器人沿线行走及跨越障碍.设计了巡检机器人有限状态机模型,实现了机器人遥控与局部自主控制的有机结合.采用基于激光传感器定位的方法实现了巡检机器人的自主越障控制.实验结果表明,该机器人可实现沿线行走及自主跨越障碍,从而验证了控制系统设计的有效性与合理性.

基于有限状态机的空间对接仿真平台控制系统设计

给出了一种基于分层式有限状态机的五自由度空间对接仿真平台控制系统设计方法,对状态机进行了扩展定义.增加了一个定义于状态上的变量属性集合,使其有利于系统的代码实现.结合控制系统采用的10 ms定时中断机制,将状态机层次划分到了可以分析每个10 ms硬件中断程序所需实现的控制功能状态及其转移、继承关系的程度,可以更清晰地设计出中断程序所需要的构成结构.系统的实际应用结果证明了上述方法的有效性.

基于主动建模的无人直升机增强LQR控制

为了解决无人直升机控制问题,通过把主动建模与LQR(Linear Quadratic Regulator)控制相结合,提出一种能补偿模型差的控制方法。该方法在悬停状态下,采用简化模型设计LQR控制器,并通过UKF(Un-scented-Kalman-Filter)在线估计简化模型与全状态模型的模型差,使用模型差作为补偿项对LQR控制增强。针对实际直升机动力学模型进行仿真,验证了基于UKF的估计和增强LQR控制的有效性。仿真实验结果证明,基于UKF的主动建模技术能够快速估计状态和参数变化,并且增强LQR控制能够使系统适应模型不确定性。

基于web的遥操作系统时延分析

采用预测控制算法给出了一种带有时延补偿器的新的控制结构,分别在前向通道和反馈通道设计补偿器对网络时延进行补偿.实验结果表明:带有预测器及补偿器的新的控制结构可以改善系统的动态性能,并且能够保证系统在具有时延和数据丢失的环境下的稳定性.

输电线路巡检机器人越障控制研究

介绍了超高压输电线路巡检机器人越障控制方法。根据巡检作业任务的要求,采用遥控与局部自主控制相结合的方法,实现了巡检机器人沿线行走及跨越障碍的功能。采用基于单目摄像头定位和视觉伺服的方法,实现了巡检机器人的自主越障控制。实验结果表明,该机器人可沿线行走并自主跨越障碍,从而验证了控制系统设计的有效性与合理性。

模块化可变形机器人控制系统设计与变形方法研究

介绍了模块化可变形机器人控制系统的整体结构.控制系统的硬件和软件均采用了模块化结构的设计,增强了整个系统的可扩展性和容错性.针对该机器人的机构特点提出了一种新的变形方法———协同变形法.实验验证了控制系统的有效性和协同变形法的优越性.