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基于嵌入式控制器的码垛机器人控制系统设计

基于嵌入式控制器的码垛机器人控制系统设计

作者：郭延平哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

在《中国制造2025》的倡导下,工业机器人已经广泛应用到各行各业。至今,我国已经连续五年成为全球第一大机器人应用市场。其中控制系统作为工业机器人的重要组成部分。一个成熟且有竞争力的机器人控制系统至少包含两个特征:开放性和模块... 详细信息

在《中国制造2025》的倡导下,工业机器人已经广泛应用到各行各业。至今,我国已经连续五年成为全球第一大机器人应用市场。其中控制系统作为工业机器人的重要组成部分。一个成熟且有竞争力的机器人控制系统至少包含两个特征:开放性和模块化,开放性是指采用开放的系统结构有利于机器人控制系统的拓展与更新;模块化是指工业机器人的控制系统在硬件层面便于搭建、在软件层面结构清晰。本文采用倍福公司的BECKOFF-CX5130嵌入式控制器,包含运动控制以及PLC的功能,是世界上运动控制领域的前沿产品,兼顾开放性与模块化。本论文的主要研究内容如下:首先,对工业机器人进行运动学分析,采用D-H法对工业机器人进行建模,推导其正逆学方程,求出其正逆学方程的解,转化为程序的形式编写到控制器中。其次,将码垛机器人的运动轨迹进行分解,包含圆弧段与直线段,利用S型曲线加减速控制算法进行以及笛卡尔空间插补计算使得机器人的运动轨迹更加柔和。最后,采用TwinCAT PLC Control作为程序的开发环境,对控制系统的软件部分进行总体实现。采用工业实时以太网Ethercat进行通讯,对工业机器人的各轴进行运动控制,通过程序模拟以及对机器人实际运动轨迹的测试验证了控制系统的有效性与可行性。

关键词：工业机器人嵌入式控制器运动学分析轨迹规划

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数控机床综合误差补偿嵌入式控制器研发

数控机床综合误差补偿嵌入式控制器研发

作者：李春雷南京理工大学

学位级别：硕士

为了对数控机床的几何误差与热误差进行补偿,本文针对FANUC数控系统,采用原点坐标平移法,设计并开发了一种以ARM Cortex-M3微处理器为主控芯片的数控机床综合误差补偿嵌入式控制器,实现了对机床几何误差与热误差的综合在线补偿。分析了... 详细信息

为了对数控机床的几何误差与热误差进行补偿,本文针对FANUC数控系统,采用原点坐标平移法,设计并开发了一种以ARM Cortex-M3微处理器为主控芯片的数控机床综合误差补偿嵌入式控制器,实现了对机床几何误差与热误差的综合在线补偿。分析了三种数控机床综合误差补偿方法的特点,针对FANUC数控系统,确定了综合误差补偿方式和补偿实施方法,设计了数控机床综合误差补偿嵌入式控制器的总体结构。设计了以STM32F103ZET6微处理器为核心的硬件系统,为保证综合误差模型的存储,扩展了EEPROM;采用按键键盘和LCD12864作为输入与输出设备,满足了人机交互的需要;开发了与上位机通信的RS232电路,从而可以通过更加人性化的上位机界面进行综合误差模型的输入。利用Keil MDK平台开发处理器的软件程序,采用STM32固件库编写程序代码,主要包括ARM处理器主程序、中断配置程序、人机交互程序、USART串口通信程序、综合误差有效性判定程序和EEPROM存储程序。采用VS2008+Qt架构开发上位机程序,包括用户操作界面设计和应用程序设计,采用多线程技术,保证了界面的流畅性和数据传输的实时性。最后对所开发的数控机床综合误差补偿嵌入式控制器进行了调试与实验验证,实验结果表明该控制器能够实现数控机床几何误差与热误差的综合补偿,并能有效提高数控机床的定位精度。

关键词：数控机床综合误差误差补偿嵌入式控制器原点坐标平移法

基于SOC与嵌入式控制器的电气火灾监控系统的研制

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基于SOC与嵌入式控制器的电气火灾监控系统的研制

作者：厉彦杰山东大学

学位级别：硕士

近年来,我国因电气引起的火灾事故数量逐年增多,由此引起的电气火灾损失占全部火灾损失的比率也在不断攀升。每年因电气火灾造成的财产损失和人员伤亡数量触目惊心,因此对电气火灾的预防和遏制迫在眉睫。目前对电气火灾最有效的预防方... 详细信息

近年来,我国因电气引起的火灾事故数量逐年增多,由此引起的电气火灾损失占全部火灾损失的比率也在不断攀升。每年因电气火灾造成的财产损失和人员伤亡数量触目惊心,因此对电气火灾的预防和遏制迫在眉睫。目前对电气火灾最有效的预防方式是在被监测线路中安装电气火灾监控系统。由于我国对电气火灾监控系统的研究和使用起步较晚,国内制定的电气火灾监控系统国家标准以及法律法规还不完善,国内厂商生产的电气火灾监控系统质量和产品性能参差不齐,与国外同类产品存在较大差距。本课题针对我国电气火灾监控的发展情况研制开发的一种基于SOC与嵌入式控制器的电气火灾监控系统。电气火灾监控系统主要实现对被监测线路的漏电流检测、漏电流超限预警、报警、脱扣保护等一系列功能,能够有效杜绝电气火灾隐患。电气火灾监控系统由电气火灾监控主机与电气火灾探测器组成,具有测量、监控报警、保护、事件记录、自检、人机交互、系统组网、通信等功能。整个电气火灾监控系统研制的关键是电气火灾监控探测器的开发,因此本文中重点介绍了电气火灾监控探测器的硬件电路设计和软件程序的开发。在探测器硬件设计中使用MAXIM公司生产的71M系列片上系统作为数据测量前端,利用先进的采样技术对被监控线路中的10路漏电流信号和1相电力参数信号进行检测,并利用SPI通信接口与主控制器进行数据交换。主控制器采用ST公司生产的STM32,STM32对接收的信号数据进行分析计算,做出预警、报警判断,并通过RS485或者CAN总线与电气火灾监控主机通信。在探测器软件设计中使用C语言进行编写,采用KEIL的开发环境进行模块化设计,有利于程序的读写修改与升级工作。根据硬件电路设计,分别编写开发了SOC和嵌入式控制器的程序,实现了信号采集与计算、报警判断与处理、通信、数据存储等一系列功能。在整个系统开发过程中,采取了软件与硬件的抗干扰设计,并通过系统调试发现问题,优化软硬件设计的实现方法,改进抗干扰设计方案,保证系统性能指标的实现。最后在国家标准下对参数测量功能、报警及保护功能、自检与试验功能以及通信功能等进行了测试工作。经过测试,系统运行稳定,各项功能满足设计要求。论文最后对本课题完成的工作进行了总结,并对系统有待改进之处进行了介绍。

关键词：电气火灾漏电流 SOC 嵌入式控制器 CAN

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一种嵌入式控制器应用系统的软件设计

计算机测量与控制 2001年第Z1期9卷 91-93页

作者：刘盛德瞿雷总参第63研究所江苏南京210016 总参第63研究所江苏南京210016

叙述了嵌入式控制器I7188应用系统的软件设计方法及注意事项.

关键词：嵌入式控制器通信串行接口

基于Windows CE3.0的嵌入式控制器研究

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计算机测量与控制 2003年第6期11卷 458-461页

作者：张新房徐大平吕跃刚柳亦兵华北电力大学自动化系北京102206

嵌入式控制器硬件平台采用PC/ 10 4微处理器模块 ,PC/ 10 4微处理器和外围设备构成堆栈式结构。WindowsCE 3 0为嵌入式控制器提供了功能强大的实时操作系统。文章详细分析了WindowsCE 3 0的特点 ,根据工业控制对控制系统在网络通信、... 详细信息

嵌入式控制器硬件平台采用PC/ 10 4微处理器模块 ,PC/ 10 4微处理器和外围设备构成堆栈式结构。WindowsCE 3 0为嵌入式控制器提供了功能强大的实时操作系统。文章详细分析了WindowsCE 3 0的特点 ,根据工业控制对控制系统在网络通信、组态软件、开放性和可靠性方面的要求 ,设计出适合工业环境的基于WindowsCE 3 0的嵌入式控制器。

关键词：嵌入式控制器微处理器 WindowsCE3.0 实时操作系统计算机

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嵌入式控制器在烧结配水系统中的应用

自动化仪表 2008年第6期29卷 39-41页

作者：艾宏伟靳其兵北京化工大学自动化研究所北京100029

介绍了嵌入式系统在烧结配水系统中的应用,以烧结生产中的水分为控制对象,设计了一种基于S3C2410 ARM处理器和***操作系统的嵌入式控制器,并在其中嵌入了先进的无模型自适应控制算法。通过在烧结配水系统中的实际应用表明,相对传统的控... 详细信息

介绍了嵌入式系统在烧结配水系统中的应用,以烧结生产中的水分为控制对象,设计了一种基于S3C2410 ARM处理器和***操作系统的嵌入式控制器,并在其中嵌入了先进的无模型自适应控制算法。通过在烧结配水系统中的实际应用表明,相对传统的控制器,该控制器具有稳定性强、可靠性高、抗滞后能力强等特点。为工业控制领域中大滞后过程的控制提供了一种新的解决方案。

关键词：烧结配水 ARM 嵌入式控制器无模型自适应控制算法大滞后

基于图像位置检测的气动助力设备嵌入式控制器研究

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基于图像位置检测的气动助力设备嵌入式控制器研究

作者：赫英鹏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在我国工业水平迅速提升的大前提下,工业现场的许多设备以及作业方式都需要转型和提升;在保证原有功能和工程作业质量的前提下,急需更加智能,灵活的转变。本课题所研究的实验设备是一种高精度的重载助力设备,已经具备空间运动的六个基... 详细信息

在我国工业水平迅速提升的大前提下,工业现场的许多设备以及作业方式都需要转型和提升;在保证原有功能和工程作业质量的前提下,急需更加智能,灵活的转变。本课题所研究的实验设备是一种高精度的重载助力设备,已经具备空间运动的六个基本自由度;在人工规划路径之后可以进行工件安装工作,并具有较大的工作空间,但在特殊环境内工作就会受到影响;原有方案下,实验设备的轨迹规划是分成多个步骤离线进行,实时性较差。本课题从嵌入式控制器方案设计和视觉位置闭环两个方面进行研究,提升设备整体流程的智能化和轨迹规划的实时性水平,并且减轻了原有控制结构的冗余,并为后续控制功能的实现留下了空间。首先将原有控制方案进行分析,原有方案采用上下位机结合方式,并未实现助力设备在线实时轨迹规划功能,并且在硬件上过于冗余沉重,结构饱和不利于后续进一步研究。基于STM32的控制器可以配合视觉反馈以及位移测距传感器进行自由度偏差测量,利用其主控芯片强大的计算能力进行位姿偏差测算并将计算结果通过数据传输传到下位机,实现了“测—算—控”三位一体的控制方案。并增加LCD屏幕作为人机交互的主要控制界面,在算法上增加了手动控制模式使得实验设备更加灵活。接下来利用视觉传感器与位移传感器配合进行偏差测算,以运动学坐标变换矩阵为基本原理,依托“三点定面”方法和平面内单目机器视觉,测量并计算得到六个基本自由度的偏差值,进而计算得到助力设备末端到目标位置的位置和姿态偏差矩阵,并对视觉测量结果做了精度分析,为原有的实验设备增加了对环境信息的感知和测量以及完整的位置闭环,提升了整体的自动化和智能化水平。为了实现助力设备工作路径的在线轨迹规划,通过对运动学正解和反解的分析,引入五次插值函数作为轨迹规划的驱动函数并将其编译成基于C语言的工程代码作为嵌入式控制器STM32的运动控制算法;为了便于操作者使用,本文还将以上功能进行逻辑顺序的分析并在LCD屏幕上设置按键实现人机交互操作。最后为了验证轨迹规划方案的可行性与计算精度,搭建助力设备动力学模型,将单片机得到的轨迹规划结果输入到模型中,记录并分析末端运动轨迹并与预期进行对比。

关键词：在线轨迹规划嵌入式控制器气动助力视觉位置闭环位姿测算

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面向重矿行业嵌入式控制器的研究与开发

面向重矿行业嵌入式控制器的研究与开发

作者：石磊同济大学

学位级别：硕士

本文是以作者所参与的上海市科委科技攻关项目“面向重矿行业设备的嵌入式控制器”(编号：04dz15010)为基础完成的，主要讨论了工业控制中嵌入式系统软件的设计与实现，旨在创建一个完整的嵌入式控制系统软件平台。该平台将嵌入式实时... 详细信息

本文是以作者所参与的上海市科委科技攻关项目“面向重矿行业设备的嵌入式控制器”(编号：04dz15010)为基础完成的，主要讨论了工业控制中嵌入式系统软件的设计与实现，旨在创建一个完整的嵌入式控制系统软件平台。该平台将嵌入式实时操作系统、软PLC、嵌入式监控模块等有机地结合起来，为嵌入式控制系统提供一个完整的运行环境。本文首先介绍了嵌入式工业控制系统的概念和发展状况，并结合重矿机械行业的特点，描述了嵌入式工业控制器设计思想，总体框架及其软件平台中使用到的关键技术。其次本文详细介绍了华东计算技术研究所开发的嵌入式实时操作系统ReWorks及其开发环境ReDe。针对当前重矿机械设备普遍存在的自动化、智能化水平低的问题，根据系统对实时性、可靠性的要求，提出了基于ReWorks实时操作系统和PC／104总线的硬件平台的嵌入式控制器的解决方案，并运用DARTS(实时系统设计方法)对重矿机械设备控制器系统进行详细设计。再次，在运用DARTS法划分了控制器系统各任务，定义了任务之间的接口并对各模块任务进行了详细的设计基础上，作者研究并完成ReWorks操作系统上数据采集卡驱动程序的开发。本文的重点是符合重矿行业特点的各应用模块的开发。本文在研究了TCP／IP协议和SOCKET编程的基础上，在ReWorks平台上完成了以太网网络通讯模块的开发;并在研究软PLC的基础上，开发出符合IEC61131-3标准的软PLC模块，该模块包括开发系统以及运行系统，并且指令表可以通过网络模块实时更新。最后，本文对嵌入式控制系统软件平台需要进一步完善和发展的相关功能模块进行了详细的分析，并展望了嵌入式系统在工业控制中的应用前景及发展方向。

关键词： ReWorks实时操作系统嵌入式控制器重矿设备网络通讯软PLC

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电熔镁炉嵌入式控制器抗电磁干扰设计与实现

电熔镁炉嵌入式控制器抗电磁干扰设计与实现

作者：闫康杰东北大学

学位级别：硕士

电熔镁砂是一种熔点高、抗氧化性和抗渣性强的高级耐火材料,被广泛用于航空航天、核工业、冶金等领域。随着生产企业对能源利用效率和产品品位要求的提高,电熔镁行业开始逐渐采用智能控制策略。为了将运行优化、故障诊断等控制方法更好... 详细信息

电熔镁砂是一种熔点高、抗氧化性和抗渣性强的高级耐火材料,被广泛用于航空航天、核工业、冶金等领域。随着生产企业对能源利用效率和产品品位要求的提高,电熔镁行业开始逐渐采用智能控制策略。为了将运行优化、故障诊断等控制方法更好的应用于电熔镁炉熔炼过程,东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室开发了面向电熔镁行业的专用嵌入式控制器。然而,电熔镁炉熔炼过程具有生产环境恶劣、电磁干扰剧烈等特点,严重影响了电熔镁炉嵌入式控制器的工作性能,给控制系统带来很多问题。因此,如何提高电熔镁炉嵌入式控制器的可靠性和稳定性直接关系着嵌入式控制器在实际环境中的应用,具有重要的研究意义和实际应用价值。但是,电熔镁砂生产现场的电磁环境十分复杂,各种形式的电磁干扰叠加在一起,很难分析出是哪些干扰源导致了嵌入式控制器工作异常。开发人员在设计嵌入式控制器硬件时一般都采取了一定的抗干扰措施,但往往缺乏理论基础的支撑,仅凭一些常用的经验方法进行设计,从而开发出的嵌入式控制器不能很好地适应复杂的电磁环境。因此,如何依据电磁兼容原理,研究不同电磁干扰源的干扰途径及干扰机制,设计并实现相应的抗干扰措施是本课题的一个难点。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究”的支持下,针对电熔镁炉嵌入式控制器工作时存在的电磁干扰问题,深入研究了电磁兼容理论,结合工业环境中的电磁干扰源与干扰途径,对电熔镁炉嵌入式控制器抗电磁干扰进行需求分析,根据电磁干扰抑制方法,设计并实现了三种抗电磁干扰措施,并在实验室条件下验证了电熔镁炉嵌入式控制器的抗电磁干扰能力。本文的主要工作归纳如下:(1)分析了电磁干扰对电熔镁炉嵌入式控制器产生的影响,深入研究了电磁兼容基础理论,分析了形成电磁干扰的三个要素,介绍了抑制电磁干扰的方法;(2)对电熔镁炉嵌入式控制器抗电磁干扰进行需求分析,分析了工业环境中的常见电磁干扰源及干扰途径,将电磁干扰源分为外部干扰和内部干扰两大类;(3)研究了共模干扰和差模干扰的特性,根据无源低通滤波器设计方法,确定了电源滤波器电路及元件参数,结合嵌入式控制器机壳内部情况,优化了电源滤波器、开关电源和信号调理电路板的布局,实现了传导抗干扰设计;(4)根据提高屏蔽体屏蔽效能的原则,确定了屏蔽机壳的材料厚度及开孔方式,实现了辐射抗干扰设计;(5)研究了形成地环路干扰和公共阻抗耦合干扰的原因,运用混合单点接地方法和数字地模拟地隔离方法,改进了信号调理板的地线布局,实现了内部抗干扰设计;(6)设计实验测试了改进前后嵌入式控制器的传导抗干扰能力、辐射抗干扰能力和内部抗干扰能力,验证了改进后嵌入式控制的抗电磁干扰能力。

关键词：电熔镁炉嵌入式控制器电磁干扰电源滤波器屏蔽机壳