運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是推進(jìn)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(duì)控制系統(tǒng)的功能多樣性的要求越來(lái)越強(qiáng)。因此要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備一個(gè)開(kāi)放、柔性的體系結(jié)構(gòu),而功能軟件化則是實(shí)現(xiàn)該體系結(jié)構(gòu)的有效途徑。運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)將運(yùn)動(dòng)控制器與伺服系統(tǒng)等終端模塊組成了一個(gè)數(shù)字化整體,其中實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的成熟又極大促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)一步推進(jìn)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件化。為能夠在更短的時(shí)間內(nèi),設(shè)計(jì)出品質(zhì)可靠且功能豐富的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),亟需實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(cè)試方法測(cè)試構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)常被作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵功能拓展。對(duì)于基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng),強(qiáng)大的計(jì)算性能可以有效縮短圖像處理時(shí)間。但是Windows并不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),圖像采集處理及其與運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)據(jù)交互的時(shí)間抖動(dòng)性較大,無(wú)法適用于對(duì)實(shí)時(shí)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(qiáng)的實(shí)時(shí)性,通過(guò)通信總線或I/0將圖像處理結(jié)果傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器,但是僅能使用內(nèi)置的機(jī)器視覺(jué)算法,功能拓展性不足。因此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)亟需一種開(kāi)放式實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng),本文利用軟運(yùn)動(dòng)控制器在實(shí)時(shí)域的開(kāi)放性,對(duì)視覺(jué)集成的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,將機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)行在同一個(gè)實(shí)時(shí)域內(nèi),從而可有效提高機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)性。本文基于Windows+Kithara Real-time Suite（KRTS）為開(kāi)放式軟運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境,經(jīng)過(guò)測(cè)試在Symmetric Multi-Processing（SMP）硬件架構(gòu)下,系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)卡的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的最大值不超過(guò)13μs。在此此環(huán)境下本文為自主研發(fā)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet for Manufacture Automation Control（EtherMAC）設(shè)計(jì)了主站協(xié)議棧,使其最小通信周期達(dá)到100μs。參照PLCopen的Motion Control部分的功能規(guī)范,給出了開(kāi)放式軟運(yùn)動(dòng)控制器的可編程接口的實(shí)現(xiàn)方法并通過(guò)設(shè)計(jì)的控制資源層以降低實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與軟運(yùn)動(dòng)控制器之間的耦合性。給出了運(yùn)行在實(shí)時(shí)域內(nèi)的機(jī)器視覺(jué)功能的設(shè)計(jì)方法,以開(kāi)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(guò)依據(jù)以上方法設(shè)計(jì)的視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人控制系統(tǒng)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的集成視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的功能可行性。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)紐帶,也是軟件功能表達(dá)的直接接口,以實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件功能測(cè)試方法。為避免對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)正常通信的影響,基于Field Programmable Gate Array （FPGA）設(shè)計(jì)了一種無(wú)延時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)方法。以EtherMAC實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù),并以基于EtherMAC的數(shù)控系統(tǒng)作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試功能驗(yàn)證。該測(cè)試方法無(wú)需連接機(jī)械系統(tǒng)或修改電氣線路,即可評(píng)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件功能。本文的研究成果為實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用提供了一種開(kāi)放且成本低廉的實(shí)現(xiàn)方案,并為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能測(cè)試提供了一種簡(jiǎn)單高校的測(cè)試方法,測(cè)試成本低。

 

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頁(yè)數(shù)：125

 

【學(xué)位級(jí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

        1.2.1 基于硬件運(yùn)動(dòng)控制器的控制系統(tǒng)

        1.2.2 軟件化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

    1.3 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    1.4 實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

    1.5 視覺(jué)集成與系統(tǒng)測(cè)試的主要問(wèn)題

    1.6 主要研究?jī)?nèi)容

第2章 體系結(jié)構(gòu)及時(shí)序邏輯分析

    2.1 體系結(jié)構(gòu)分析

        2.1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析

        2.1.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析

    2.2 時(shí)序邏輯分析

        2.2.1 基本概念與相關(guān)定義

        2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)序分析

        2.2.3 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的時(shí)序分析

    2.3 控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)及測(cè)試方法研究

        2.3.1 視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)同步控制方法研究

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

    2.4 本章小結(jié)

第3章 開(kāi)放式軟運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

    3.1 基礎(chǔ)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的設(shè)計(jì)

        3.1.1 PC的中斷體系結(jié)構(gòu)介紹

        3.1.2 Windows的實(shí)時(shí)改造方法

        3.1.3 實(shí)時(shí)拓展KRTS的原理分析

        3.1.4 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

    3.2 基于KRTS的EtherMAC主站設(shè)計(jì)

        3.2.1 EtherMAC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        3.2.2 EtherMAC的報(bào)文結(jié)構(gòu)

        3.2.3 EtherMAC的通信過(guò)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(jì)

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

    3.3 總線式軟運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

        3.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        3.3.2 跨平臺(tái)程序調(diào)用機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法研究

        3.3.3 運(yùn)動(dòng)控制功能的可編程接口設(shè)計(jì)

        3.3.4 原型機(jī)驗(yàn)證

    3.4 本章小結(jié)

第4章 開(kāi)放式實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)方法研究

    4.1 關(guān)鍵問(wèn)題與解決方法

        4.1.1 實(shí)時(shí)圖像采集

        4.1.2 實(shí)時(shí)圖像處理

        4.1.3 機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制之間的實(shí)時(shí)同步

    4.2 實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制的集成

    4.3 實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)性能測(cè)試

        4.3.1 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

        4.3.2 圖像處理算法

        4.3.3 測(cè)試結(jié)果分析

    4.4 本章小結(jié)

第5章 總線式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試方法研究

    5.1 測(cè)試方法設(shè)計(jì)

    5.2 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    5.3 數(shù)據(jù)偵聽(tīng)器設(shè)計(jì)

        5.3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        5.3.2 數(shù)據(jù)偵聽(tīng)機(jī)制

    5.4 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

        5.4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)搭建

        5.4.2 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    5.5 本章小結(jié)

第6章 數(shù)控系統(tǒng)功能測(cè)試

    6.1 數(shù)控系統(tǒng)的誤差分析和建模

        6.1.1 插補(bǔ)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(cè)試

        6.2.1 待測(cè)數(shù)控系統(tǒng)介紹

        6.2.2 數(shù)據(jù)解析過(guò)程

        6.2.3 測(cè)試過(guò)程與結(jié)果

    6.3 本章小結(jié)

第7章 開(kāi)發(fā)實(shí)例：視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)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(jì)

    7.3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

        7.3.1 機(jī)器視覺(jué)功能設(shè)計(jì)

        7.3.2 機(jī)器人控制功能設(shè)計(jì)

        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(diǎn)

    8.3 展望

參考文獻(xiàn)

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(xiàng)目

致謝

學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表

 

 

參考文獻(xiàn)

 

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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng). 2015(07)

[2]基于DSP與ARM的大豆籽粒視覺(jué)分級(jí)系統(tǒng)[J]. 房俊龍,楊森森,趙朝陽(yáng),李明,王潤(rùn)濤.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào). 2015(08)

[3]機(jī)器人視覺(jué)伺服研究進(jìn)展:視覺(jué)系統(tǒng)與控制策略[J]. 賈丙西,劉山,張凱祥,陳劍.  自動(dòng)化學(xué)報(bào). 2015(05)

[4]基于誤差模型的三軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡預(yù)補(bǔ)償方法[J]. 李學(xué)偉,趙萬(wàn)華,盧秉恒.  中國(guó)機(jī)械工程. 2014(21)

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

[6]基于PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 王翰,宋寶,唐小琦.  華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(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(jī)器人物料分揀系統(tǒng)[J]. 鄒騰躍,唐小琦,宋寶,陳吉紅.  組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 2013(05)

[9]我國(guó)機(jī)床數(shù)控化的現(xiàn)狀和未來(lái)對(duì)策[J]. 景富軍,譚勝龍,劉玲,范華獻(xiàn).  制造技術(shù)與機(jī)床. 2013(04)

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

 

博士論文

 

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

[2]開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 李方.華南理工大學(xué) 2010

[5]基于實(shí)時(shí)視覺(jué)的乒乓球機(jī)器人標(biāo)定和軌跡跟蹤技術(shù)研究[D]. 張遠(yuǎn)輝.浙江大學(xué) 2009

 

碩士論文

 

[1]EPA-FRT及其在運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(dòng)技術(shù)在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 孫磊.中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所） 2007