索牵引机器人的双目测量及闭环控制嵌入式系统设计
这是一篇关于索牵引并联机器人,ZYNQ,双目测量,PID,闭环控制的论文, 主要内容为随着索牵引并联机器人在工业生产、辅助救援以及医疗康复等领域中的应用愈发复杂,人们对其控制系统的精度提出了更高的要求。开环控制系统的控制精度受制于其数学模型的准确性,为保障系统控制精度,应结合传感器与闭环控制算法改进控制系统,而传统的接触式传感器在长期使用中存在精度下降、灵活性差、更换更新不便等问题。因此,本文以四索牵引并联机器人为研究对象,提出了一种基于双目工业相机的非接触式测量方案,设计了基于双目定位算法的视觉纠偏方案和PID控制器,实现对索牵引机器人位姿的闭环控制,基于ZYNQ 7020 So C完成了索牵引机器人嵌入式控制系统的设计开发和实物制作,并进行了实验验证。主要研究内容如下:(1)模型建立和控制方案:首先,充分考虑绳索滑轮结构中影响索长的因素,建立索牵引机器人的绳索滑轮模型;其次,对模型进行了运动学和动力学分析,并完成算例验证;最后,分析实际需求确定了以“ARM+FPGA”架构芯片ZYNQ 7020 So C为处理器的系统控制方案,并基于AMBA通信协议确定了片上通信方案。(2)控制系统方案及开发:首先,针对实际需求设计了电机控制IP,优化了各信号发生时序,使用FIFO原理设计缓存池,对数据收发过程进行了优化;其次,基于ZYNQ的IO开发了HDMI功能;接着,设计了ZYNQ的PS端逻辑,进行Linux移植并提出了一种以输入寄存器为单位的IP核Linux驱动设计方案,完成了Linux设备驱动的开发及验证;最后,使用QT Creator开发了可视化界面,并优化了嵌入式系统启动过程。(3)基于双目测量原理的定位方法:首先,对目标图片进行预处理以减少干扰;其次,计算了工业相机的内参矩阵及相对位姿,获取关键参数后,解算出像点对应的三维坐标,再通过SVD方法解算出左相机空间坐标系与世界坐标系之间的位姿转换矩阵,进而解算出像点对应的世界坐标,并使用MATLAB进行了数值仿真;最后,基于推导出的世界坐标解算方法提出了一种控制器视觉纠偏方案。(4)闭环控制系统实现及验证:首先,搭建了索牵引机器人的实物模型;其次,设计实验分析了双目定位算法在控制系统中应用的误差,对视觉纠偏方案进行了实验验证;接着,基于PID算法设计了PI控制器,针对实际场景提出一种PID算法的改进方案并使用工程整定法确定了控制器参数;最后,实现索牵引机器人的闭环控制,对其控制效果进行了实验验证,分析了误差来源并提出了改进方案。
步进电机高精度分布式双闭环系统设计
这是一篇关于两相混合式步进电机,闭环控制,模糊滑模,速度曲线的论文, 主要内容为步进电机以其控制方式简单、定位精准无累计误差、性价比高等优点被广泛应用于工业生产和自动化控制领域,传统步进电机常采用开环控制方式,运行效果很大程度上取决于电机自身设计结构,随着对被控设备响应稳定性以及运行精度要求的不断提高,以及设备复杂度的不断提升,实际工况下常需要对多个电机进行独立或联合的精确控制,随着新型微处理器运算处理能力的不断推高,多电机控制常采用堆叠控制芯片的方法增加了设备成本浪费了芯片性能,因此设计控制系统实现对多电机进行精确稳定分布式控制,具有实际的工程理论意义和实用价值,针对以上问题本文进行了如下研究:(1)设计双闭环矢量控制系统实现电机高精度需求,针对两相混合式步进电机,基于双H桥逆变器设计矢量脉宽调制方法,闭环速度外环采用模糊滑模控制器,模糊滑模控制(FSMC)适合对不确定条件下非线性步进电机系统进行控制,由系统状态模糊控制实时调节滑模关键控制参数,提升滑模控制速度和控制品质,滑模控制选用积分滑模面改善系统初始状态位置,为优化滑模趋近速度和削弱滑模过程抖振,设计增加等速项的指数趋近律并对传统切换函数进行饱和函数替换,模糊滑模控制器下被控系统有着良好的精确性、快速性和鲁棒性;(2)对于电机相对不稳定的启停段,直接启停电机可能出现失步越步过冲等问题,对电机启停段采用开环变速曲线控制,能够保证电机平滑启动、减小停止冲击提升运动稳定性和动态性能,对比不同类型变速曲线和实现方式,设计余弦S加减速曲线能够完成控制要求;(3)针对电机分布式控制实现,选用MCU+FPGA作为控制器结构,满足多电机控制的同时具有良好的拓展性,确定了上位机、MCU、FPGA到驱动电机的控制执行链,以CAN+FSMC总线的通信方式组合控制链,根据传输协议对通信数据定义确定控制规则,基于Labview搭建上位机界面实现分布式控制。(4)为保证设计控制系统的可行性和实用性,搭建基于模糊滑模的双闭环矢量控制模型进行仿真对比测试,仿真结果验证了控制模型在动稳态性能方面的优越性,设计硬件电路搭建硬件实验平台完成不同工况下的实践测试,实验结果证明了分布式控制策略的高效性,控制系统具有良好的抗扰动和自恢复能力,步进电机实际运动效果满足稳定性和高精度要求,整体达到了设计预期效果。
索牵引机器人的双目测量及闭环控制嵌入式系统设计
这是一篇关于索牵引并联机器人,ZYNQ,双目测量,PID,闭环控制的论文, 主要内容为随着索牵引并联机器人在工业生产、辅助救援以及医疗康复等领域中的应用愈发复杂,人们对其控制系统的精度提出了更高的要求。开环控制系统的控制精度受制于其数学模型的准确性,为保障系统控制精度,应结合传感器与闭环控制算法改进控制系统,而传统的接触式传感器在长期使用中存在精度下降、灵活性差、更换更新不便等问题。因此,本文以四索牵引并联机器人为研究对象,提出了一种基于双目工业相机的非接触式测量方案,设计了基于双目定位算法的视觉纠偏方案和PID控制器,实现对索牵引机器人位姿的闭环控制,基于ZYNQ 7020 So C完成了索牵引机器人嵌入式控制系统的设计开发和实物制作,并进行了实验验证。主要研究内容如下:(1)模型建立和控制方案:首先,充分考虑绳索滑轮结构中影响索长的因素,建立索牵引机器人的绳索滑轮模型;其次,对模型进行了运动学和动力学分析,并完成算例验证;最后,分析实际需求确定了以“ARM+FPGA”架构芯片ZYNQ 7020 So C为处理器的系统控制方案,并基于AMBA通信协议确定了片上通信方案。(2)控制系统方案及开发:首先,针对实际需求设计了电机控制IP,优化了各信号发生时序,使用FIFO原理设计缓存池,对数据收发过程进行了优化;其次,基于ZYNQ的IO开发了HDMI功能;接着,设计了ZYNQ的PS端逻辑,进行Linux移植并提出了一种以输入寄存器为单位的IP核Linux驱动设计方案,完成了Linux设备驱动的开发及验证;最后,使用QT Creator开发了可视化界面,并优化了嵌入式系统启动过程。(3)基于双目测量原理的定位方法:首先,对目标图片进行预处理以减少干扰;其次,计算了工业相机的内参矩阵及相对位姿,获取关键参数后,解算出像点对应的三维坐标,再通过SVD方法解算出左相机空间坐标系与世界坐标系之间的位姿转换矩阵,进而解算出像点对应的世界坐标,并使用MATLAB进行了数值仿真;最后,基于推导出的世界坐标解算方法提出了一种控制器视觉纠偏方案。(4)闭环控制系统实现及验证:首先,搭建了索牵引机器人的实物模型;其次,设计实验分析了双目定位算法在控制系统中应用的误差,对视觉纠偏方案进行了实验验证;接着,基于PID算法设计了PI控制器,针对实际场景提出一种PID算法的改进方案并使用工程整定法确定了控制器参数;最后,实现索牵引机器人的闭环控制,对其控制效果进行了实验验证,分析了误差来源并提出了改进方案。
面向宇航员微低重力训练的支撑式二维随动系统研究
这是一篇关于微低重力训练,串联弹性驱动,随动系统,闭环控制的论文, 主要内容为宇航员的微低重力模拟训练是载人航天工程中极其重要的一环,是确保宇航员安全以及在太空中正常活动的基础。为了弥补地面单一悬吊方法重力补偿方案的局限性,本文开展了关于支撑式微低重力模拟方案的研究。通过围绕宇航员微低重力模拟训练总系统中的串联弹性驱动支撑式二维随动系统开展其设计研制、建模分析、控制算法实现以及实验验证等研究工作。在明确系统设计需求与性能指标的前提下开发出了一套用于微低重力模拟的具有高带宽、低滞后干扰力特性的串联弹性驱动支撑式二维随动系统。依据随动总体方案开展了系统机械结构的相关设计和零件的选型、校核工作;开展了电气系统总体方案的设计,完成了硬件的选型以及电路的设计工作;基于Twin CAT设计了系统的软件算法平台,完成了系统功能运行的相关程序编写、封装以及人机交互界面的设计工作。为后续控制系统应用以及实验验证提供了硬件、软件平台。基于牛顿第二定律建立了串联弹性驱动支撑式二维随动系统的动力学模型。利用了系统平面两方向运动解耦的特性建立了从电机到主动平台到宇航员再到外部环境一整个运动闭环的动力学模型;对系统的能控性及能观性进行了分析;对不同的工况进行了环境因素参数分析;利用仿真软件搭建的系统框图进行了动力学特性分析,预估了系统的固有特性。开展了串联弹性驱动支撑式二维随动系统运动闭环控制方法的设计工作。基于驱动器速度环设计了系统的闭环控制策略;通过扫频实验对系统的传递函数进行了辨识并合理简化;通过设计陷波环节、校正环节以及控制器完成了系统的带宽设计,满足了系统较高带宽的设计要求。最后,针对扰动开展了系统闭环控制算法的仿真分析,验证了控制系统设计的合理性。开展了串联弹性驱动支撑式二维随动系统微低重力模拟的实验研究。搭建了二维随动系统样机试验台并完成了系统的调试工作;针对运动死区进行了控制器的改进,并在控制器低增益的条件下测试了系统基本的随动功能;最后,针对宇航员漂浮状态、宇航员与环境交互、多宇航员协作这三种特定工况,开展了本系统对阶跃激励、持续且恒定激励、单一正方向连续交变激励以及正负两方向连续交变激励作用下的宇航员微低重力模拟实验,得出了系统具有较好的快速性能以及低滞后干扰力特性的结论。
基于电力载波通信的物联网智能家居系统设计与实现
这是一篇关于智能家居,电力载波,物联网,闭环控制的论文, 主要内容为目前,我国正在大力支持智能家居的发展,但我国大多智能家居系统由于通信易受扰断开、采用开环控制方式、产品成本较高等原因,造成通信不稳及售价高昂等问题,导致产品体验性较差、难以推广。本文提出了基于电力载波通信的物联网智能家居系统架构:以自主研发的节点设备(采集器)作为感知层,分散部署于家中,与电器绑定使用,可动态采集电器多种运行参数并控制电器,使系统无需更换智能家居即可投入使用。节点采用电力载波技术,利用现有的家庭电网与网络层通信,无需重新布线,可大幅降低成本,同时克服无线通信易受扰、通信距离较短等缺点;研发网关设备作为网络层,通过电力载波管控节点,汇集各个节点采集的数据,上传应用层交互;研发后台系统和移动客户端作为应用层,后台系统收存所有采集数据、配置信息,为客户端和网关提供数据支持,并为客户端对网关下达控制指令提供通道;客户端提供人机交互界面,可实时远程监控电器。智能家居系统各层有序配合,实现用户管理、电器管理、远程监控、场景控制等功能。在智能家居系统的研究过程中,本文提出闭环控制策略,以采集数据为反馈,解决当前多数系统只能远程开环操作的难题,保证控制操作有效性;提出多任务调度方法,用以网关,处理与多方通信问题;提出自适应切换通信模式的方法,客户端可根据网络自动切换直连模式、外网模式,以提高通信效率;采用电弧故障诊断方法,并提出通过分析采集的数据在线进行故障诊断;采用分布式架构,搭建后台系统,支持海量数据处理、高并发访问;采用消息重发机制、MQTT技术,用以网关、后台与客户端的三方通信,可缩短通信时间并提高通信可靠性。目前,本文研究已取得一定成果,正进行产品测试,即将推向市场。
索牵引机器人的双目测量及闭环控制嵌入式系统设计
这是一篇关于索牵引并联机器人,ZYNQ,双目测量,PID,闭环控制的论文, 主要内容为随着索牵引并联机器人在工业生产、辅助救援以及医疗康复等领域中的应用愈发复杂,人们对其控制系统的精度提出了更高的要求。开环控制系统的控制精度受制于其数学模型的准确性,为保障系统控制精度,应结合传感器与闭环控制算法改进控制系统,而传统的接触式传感器在长期使用中存在精度下降、灵活性差、更换更新不便等问题。因此,本文以四索牵引并联机器人为研究对象,提出了一种基于双目工业相机的非接触式测量方案,设计了基于双目定位算法的视觉纠偏方案和PID控制器,实现对索牵引机器人位姿的闭环控制,基于ZYNQ 7020 So C完成了索牵引机器人嵌入式控制系统的设计开发和实物制作,并进行了实验验证。主要研究内容如下:(1)模型建立和控制方案:首先,充分考虑绳索滑轮结构中影响索长的因素,建立索牵引机器人的绳索滑轮模型;其次,对模型进行了运动学和动力学分析,并完成算例验证;最后,分析实际需求确定了以“ARM+FPGA”架构芯片ZYNQ 7020 So C为处理器的系统控制方案,并基于AMBA通信协议确定了片上通信方案。(2)控制系统方案及开发:首先,针对实际需求设计了电机控制IP,优化了各信号发生时序,使用FIFO原理设计缓存池,对数据收发过程进行了优化;其次,基于ZYNQ的IO开发了HDMI功能;接着,设计了ZYNQ的PS端逻辑,进行Linux移植并提出了一种以输入寄存器为单位的IP核Linux驱动设计方案,完成了Linux设备驱动的开发及验证;最后,使用QT Creator开发了可视化界面,并优化了嵌入式系统启动过程。(3)基于双目测量原理的定位方法:首先,对目标图片进行预处理以减少干扰;其次,计算了工业相机的内参矩阵及相对位姿,获取关键参数后,解算出像点对应的三维坐标,再通过SVD方法解算出左相机空间坐标系与世界坐标系之间的位姿转换矩阵,进而解算出像点对应的世界坐标,并使用MATLAB进行了数值仿真;最后,基于推导出的世界坐标解算方法提出了一种控制器视觉纠偏方案。(4)闭环控制系统实现及验证:首先,搭建了索牵引机器人的实物模型;其次,设计实验分析了双目定位算法在控制系统中应用的误差,对视觉纠偏方案进行了实验验证;接着,基于PID算法设计了PI控制器,针对实际场景提出一种PID算法的改进方案并使用工程整定法确定了控制器参数;最后,实现索牵引机器人的闭环控制,对其控制效果进行了实验验证,分析了误差来源并提出了改进方案。
餐饮机器人样机系统研究
这是一篇关于餐饮服务机器人,协同控制器,步进电机驱动,闭环控制的论文, 主要内容为随着劳动力的短缺与餐饮行业的快速发展,目前对餐饮服务机器人的功能需求也在不断提升与完善,针对现有餐饮服务机器人整机成本较高、单次送餐数量有限、餐品暴露在外引起食品安全等问题。本文提出一种新型的低成本餐饮服务机器人。主要完成了以下方面的工作:1)在机械结构设计方面,设计了餐饮服务机器人系统的整体架构,其根据需求,完成了样机的三维模型设计、加工制作与组装,可实现菜品在密封环境下每次6盘运输。其重点对驱动系统、主体机构等进行了设计,对驱动直流电机进行了模块化处理。2)在运动控制器设计方面,通过对餐饮服务机器人运动控制需求的分析,完成了基于移动终端的协同控制器总体架构设计,并完成了下位机多核异构控制器的设计与制作,实现对机械本体的所有运动控制。多核异构控制器采取前后台管理模式,可提高系统的响应速度与实时性,并为服务机器人后续发展留有可扩充接口。3)在软件方面,设计了基于移动终端传感器的数据采集系统与智能点餐系统。并在μC/OS-II操作系统下完成了多核异构控制器各模块的程序编写与测试。通过整机基本测试,设计的餐饮服务机器人样机与运动控制系统都运行正常,并能实现相应功能,证明了整个设计方案的正确可行性,为服务机器人的再次开发提供了较好的支撑。
动物离心试验机控制系统研究
这是一篇关于动物离心试验机,控制系统,多轴向加速度,闭环控制的论文, 主要内容为随着航空航天医学体系的逐步完善,动物离心试验机已经成为模拟高载荷(高G值)力学环境的重要设备之一。为了保证动物离心试验机运行的准确性、平稳性、可靠性以及数据的精确性,本文针对四臂多自由度动物离心试验机,研制了一套基于PI算法的速度精确调节控制系统,以实现动物离心试验机空间多轴向加速度的实验环境。本文主要研究内容如下:(1)针对动物离心试验机的性能参数进行了定量计算,为控制系统方案设计及硬件选型提供了理论支撑。结合动物离心试验机的机械结构,详细介绍了动物离心试验机多自由度的运动过程。根据动物离心试验机的控制要求,设计了动物离心试验机的总体控制方案,即基于“PC+控制器”主从站式控制架构。(2)在总体控制方案的基础上,根据控制要求对主轴系统和载物台系统分别制定了适用的控制方案,即伺服控制系统和步进控制系统。在此基础上依次对主轴伺服电机及驱动器、旋转编码器、制动电阻、多轴运动控制器、电动推杆以及电动转台进行合理的选型并完成了硬件布局及走线设计。(3)控制系统软件采用模块化设计的思路,基于Visual studio 2015集成环境的.NET开发平台,使用VB.NET可视化编程语言,通过创建Windows窗体应用程序完成了动物离心试验机控制系统中主程序、运动控制程序、串口通讯程序、转速采集与显示程序以及人机界面的设计开发。通过PI算法实现了动物离心试验机运行速度的精确控制。(4)针对主轴交流伺服电机建立了数学模型,基于矢量控制理论通过借助Matlab/simulink仿真平台对交流伺服电机的动态性能进行了仿真实验,仿真结果验证了主轴电机选型的有效性。通过现场调试对控制系统硬件、软件分别进行了评测。研究结果表明基于“PC+控制器”的控制系统能够满足动物离心试验机的多轴向加速度性能要求。
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