運動控制技術(shù)是推進制造業(yè)革新的核心技術(shù)之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,對控制系統(tǒng)的功能多樣性的要求越來越強。因此要求運動控制系統(tǒng)具備一個開放、柔性的體系結(jié)構(gòu),而功能軟件化則是實現(xiàn)該體系結(jié)構(gòu)的有效途徑。運動控制總線技術(shù)將運動控制器與伺服系統(tǒng)等終端模塊組成了一個數(shù)字化整體,其中實時以太網(wǎng)技術(shù)的成熟又極大促進了運動控制技術(shù)的發(fā)展,進一步推進了運動控制系統(tǒng)的軟件化。為能夠在更短的時間內(nèi),設(shè)計出品質(zhì)可靠且功能豐富的運動控制系統(tǒng),亟需實現(xiàn)開放、可重構(gòu)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),并且需要一種便捷有效的測試方法測試構(gòu)建的運動控制系統(tǒng)的功能。機器視覺系統(tǒng)常被作為運動控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能拓展。對于基于PC的機器視覺系統(tǒng),強大的計算性能可以有效縮短圖像處理時間。但是Windows并不是一個實時操作系統(tǒng),圖像采集處理及其與運動控制的數(shù)據(jù)交互的時間抖動性較大,無法適用于對實時性要求較高的應(yīng)用需求。專用于圖像采集處理的嵌入式系統(tǒng)具有較強的實時性,通過通信總線或I/0將圖像處理結(jié)果傳遞給運動控制器,但是僅能使用內(nèi)置的機器視覺算法,功能拓展性不足。因此運動控制系統(tǒng)亟需一種開放式實時機器視覺系統(tǒng),本文利用軟運動控制器在實時域的開放性,對視覺集成的運動控制平臺的設(shè)計方法進行研究,將機器視覺與運動控制運行在同一個實時域內(nèi),從而可有效提高機器視覺的實時性。本文基于Windows+Kithara Real-time Suite（KRTS）為開放式軟運動控制器設(shè)計了一個基礎(chǔ)實時運行環(huán)境,經(jīng)過測試在Symmetric Multi-Processing（SMP）硬件架構(gòu)下,系統(tǒng)對網(wǎng)卡的系統(tǒng)響應(yīng)時間的最大值不超過13μs。在此此環(huán)境下本文為自主研發(fā)的實時以太網(wǎng)Ethernet for Manufacture Automation Control（EtherMAC）設(shè)計了主站協(xié)議棧,使其最小通信周期達到100μs。參照PLCopen的Motion Control部分的功能規(guī)范,給出了開放式軟運動控制器的可編程接口的實現(xiàn)方法并通過設(shè)計的控制資源層以降低實時以太網(wǎng)與軟運動控制器之間的耦合性。給出了運行在實時域內(nèi)的機器視覺功能的設(shè)計方法,以開放式圖像傳輸協(xié)議GigE Vision作為圖像采集接口,并可重用Windows上豐富的圖像處理軟件資源。最后,通過依據(jù)以上方法設(shè)計的視覺引導(dǎo)的機器人控制系統(tǒng)驗證了本文設(shè)計的集成視覺的運動控制平臺的功能可行性。實時以太網(wǎng)是運動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)紐帶,也是軟件功能表達的直接接口,以實時以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),給出了一種基于數(shù)據(jù)逆向分析的運動控制系統(tǒng)軟件功能測試方法。為避免對實時以太網(wǎng)正常通信的影響,基于Field Programmable Gate Array （FPGA）設(shè)計了一種無延時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽方法。以EtherMAC實時以太網(wǎng)為例,給出了數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層解析方法,從而可提取出有效的運動控制數(shù)據(jù),并以基于EtherMAC的數(shù)控系統(tǒng)作為測試對象進行了測試功能驗證。該測試方法無需連接機械系統(tǒng)或修改電氣線路,即可評測運動控制系統(tǒng)的軟件功能。本文的研究成果為實時機器視覺應(yīng)用提供了一種開放且成本低廉的實現(xiàn)方案,并為運動控制系統(tǒng)的功能測試提供了一種簡單高校的測試方法,測試成本低。

 

山東大學(xué)山東省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

 

頁數(shù)：125

 

【學(xué)位級別】：博士

 

文章目錄

摘要

Abstract

第1章 緒論

    1.1 課題提出的背景及意義

    1.2 運動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

        1.2.1 基于硬件運動控制器的控制系統(tǒng)

        1.2.2 軟件化的運動控制系統(tǒng)

    1.3 實時以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    1.4 實時機器視覺系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

    1.5 視覺集成與系統(tǒng)測試的主要問題

    1.6 主要研究內(nèi)容

第2章 體系結(jié)構(gòu)及時序邏輯分析

    2.1 體系結(jié)構(gòu)分析

        2.1.1 運動控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析

        2.1.2 機器視覺系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析

    2.2 時序邏輯分析

        2.2.1 基本概念與相關(guān)定義

        2.2.2 運動控制系統(tǒng)的時序分析

        2.2.3 機器視覺系統(tǒng)的時序分析

    2.3 控制平臺的設(shè)計及測試方法研究

        2.3.1 視覺與運動的實時同步控制方法研究

        2.3.2 基于數(shù)據(jù)逆向分析的測試方法研究

    2.4 本章小結(jié)

第3章 開放式軟運動控制器的設(shè)計

    3.1 基礎(chǔ)實時運行環(huán)境的設(shè)計

        3.1.1 PC的中斷體系結(jié)構(gòu)介紹

        3.1.2 Windows的實時改造方法

        3.1.3 實時拓展KRTS的原理分析

        3.1.4 系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

    3.2 基于KRTS的EtherMAC主站設(shè)計

        3.2.1 EtherMAC的拓撲結(jié)構(gòu)

        3.2.2 EtherMAC的報文結(jié)構(gòu)

        3.2.3 EtherMAC的通信過程

        3.2.4 EtherMAC的性能分析

        3.2.5 EtherMAC的應(yīng)用層協(xié)議

        3.2.6 主站協(xié)議棧設(shè)計

        3.2.7 基于EtherMAC的RTEX網(wǎng)關(guān)設(shè)計

    3.3 總線式軟運動控制器的設(shè)計

        3.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.3.2 跨平臺程序調(diào)用機制的實現(xiàn)方法研究

        3.3.3 運動控制功能的可編程接口設(shè)計

        3.3.4 原型機驗證

    3.4 本章小結(jié)

第4章 開放式實時機器視覺的實現(xiàn)方法研究

    4.1 關(guān)鍵問題與解決方法

        4.1.1 實時圖像采集

        4.1.2 實時圖像處理

        4.1.3 機器視覺與運動控制之間的實時同步

    4.2 實時機器視覺與運動控制的集成

    4.3 實時機器視覺性能測試

        4.3.1 測試方法設(shè)計

        4.3.2 圖像處理算法

        4.3.3 測試結(jié)果分析

    4.4 本章小結(jié)

第5章 總線式運動控制系統(tǒng)的測試方法研究

    5.1 測試方法設(shè)計

    5.2 測試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

    5.3 數(shù)據(jù)偵聽器設(shè)計

        5.3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        5.3.2 數(shù)據(jù)偵聽機制

    5.4 測試軟件設(shè)計

        5.4.1 實時數(shù)據(jù)采集平臺搭建

        5.4.2 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

    5.5 本章小結(jié)

第6章 數(shù)控系統(tǒng)功能測試

    6.1 數(shù)控系統(tǒng)的誤差分析和建模

        6.1.1 插補誤差的數(shù)學(xué)模型

        6.1.2 輪廓誤差的數(shù)學(xué)模型

        6.1.3 軌跡優(yōu)化產(chǎn)生的誤差

    6.2 數(shù)控系統(tǒng)的誤差測試

        6.2.1 待測數(shù)控系統(tǒng)介紹

        6.2.2 數(shù)據(jù)解析過程

        6.2.3 測試過程與結(jié)果

    6.3 本章小結(jié)

第7章 開發(fā)實例：視覺引導(dǎo)的機器人控制系統(tǒng)

    7.1 控制系統(tǒng)功能分析

    7.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

    7.3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

        7.3.1 機器視覺功能設(shè)計

        7.3.2 機器人控制功能設(shè)計

        7.3.3 結(jié)果分析

    7.4 本章小結(jié)

第8章 總結(jié)與展望

    8.1 全文總結(jié)

    8.2 創(chuàng)新點

    8.3 展望

參考文獻

攻讀博士學(xué)位期間論文及科研情況

    學(xué)術(shù)論文

    發(fā)明專利

    科研項目

致謝

學(xué)位論文評閱及答辯情況表

 

 

參考文獻

 

期刊論文

 

[1]從“數(shù)控一代”到“智慧一代”[J]. 張存吉,姚錫凡,張翼翔,周際鋒,易安斌.  計算機集成制造系統(tǒng). 2015(07)

[2]基于DSP與ARM的大豆籽粒視覺分級系統(tǒng)[J]. 房俊龍,楊森森,趙朝陽,李明,王潤濤.  農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2015(08)

[3]機器人視覺伺服研究進展:視覺系統(tǒng)與控制策略[J]. 賈丙西,劉山,張凱祥,陳劍.  自動化學(xué)報. 2015(05)

[4]基于誤差模型的三軸聯(lián)動加工軌跡預(yù)補償方法[J]. 李學(xué)偉,趙萬華,盧秉恒.  中國機械工程. 2014(21)

[5]基于APIC的高精度定時器設(shè)計[J]. 楊皓,江南,杜承烈.  計算機工程. 2014(09)

[6]基于PLCopen標準的運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 王翰,宋寶,唐小琦.  華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2014(01)

[7]Improving the real-time performance of Ethernet for plant automation（EPA） based industrial networks[J]. Li LU,Dong-qin FENG,Jian CHU.  Journal of Zhejiang University-Science C（Computers & Electronics）. 2013(06)

[8]基于形狀內(nèi)容分析的機器人物料分揀系統(tǒng)[J]. 鄒騰躍,唐小琦,宋寶,陳吉紅.  組合機床與自動化加工技術(shù). 2013(05)

[9]我國機床數(shù)控化的現(xiàn)狀和未來對策[J]. 景富軍,譚勝龍,劉玲,范華獻.  制造技術(shù)與機床. 2013(04)

[10]基于RTX脈沖插入式熱誤差補償信號研究[J]. 王永青,陳松.  大連理工大學(xué)學(xué)報. 2012(06)

 

博士論文

 

[1]高精度實時視覺定位的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 盧維.浙江大學(xué) 2015

[2]開放式智能數(shù)控系統(tǒng)及其在線控制相關(guān)技術(shù)研究[D]. 李茂月.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012

[3]基于工業(yè)以太網(wǎng)的運動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 楊林.山東大學(xué) 2011

[4]基于模型集成的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 李方.華南理工大學(xué) 2010

[5]基于實時視覺的乒乓球機器人標定和軌跡跟蹤技術(shù)研究[D]. 張遠輝.浙江大學(xué) 2009

 

碩士論文

 

[1]EPA-FRT及其在運動控制中的應(yīng)用研究[D]. 趙飛翔.浙江大學(xué) 2011

[2]基于windows的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)實時性的研究[D]. 李彬.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008

[3]Windows系列操作系統(tǒng)下的底層驅(qū)動技術(shù)在實時控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 孫磊.中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機械研究所） 2007