運動控制技術是推進制造業(yè)革新的核心技術之一。隨著工業(yè)生產的發(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、柔性的體系結構,而功能軟件化則是實現(xiàn)該體系結構的有效途徑。運動控制總線技術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,其中實時以太網技術的成熟又極大促進了運動控制技術的發(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,設計出品質可靠且功能豐富的運動控制系統(tǒng),亟需實現(xiàn)開放、可重構的控制系統(tǒng)體系結構,并且需要一種便捷有效的測試方法測試構建的運動控制系統(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將圖像處理結果傳遞給運動控制器,但是僅能使用內置的機器視覺算法,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,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計了一個基礎實時運行環(huán)境,經過測試在Symmetric Multi-Processing（SMP）硬件架構下,系統(tǒng)對網卡的系統(tǒng)響應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Ethernet for Manufacture Automation Control（EtherMAC）設計了主站協(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)方法并通過設計的控制資源層以降低實時以太網與軟運動控制器之間的耦合性。給出了運行在實時域內的機器視覺功能的設計方法,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)以上方法設計的視覺引導的機器人控制系統(tǒng)驗證了本文設計的集成視覺的運動控制平臺的功能可行性。實時以太網是運動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)紐帶,也是軟件功能表達的直接接口,以實時以太網傳輸數(shù)據(jù)為基礎,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正常通信的影響,基于Field Programmable Gate Array （FPGA）設計了一種無延時的數(shù)據(jù)監(jiān)聽方法。以EtherMAC實時以太網為例,給出了數(shù)據(jù)鏈路層和應用層解析方法,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 實時以太網技術發(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 主要研究內容

第2章 體系結構及時序邏輯分析

    2.1 體系結構分析

        2.1.1 運動控制系統(tǒng)的體系結構分析

        2.1.2 機器視覺系統(tǒng)的體系結構分析

    2.2 時序邏輯分析

        2.2.1 基本概念與相關定義

        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

第3章 開放式軟運動控制器的設計

    3.1 基礎實時運行環(huán)境的設計

        3.1.1 PC的中斷體系結構介紹

        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)響應時間測試

    3.2 基于KRTS的EtherMAC主站設計

        3.2.1 EtherMAC的拓撲結構

        3.2.2 EtherMAC的報文結構

        3.2.3 EtherMAC的通信過程

        3.2.4 EtherMAC的性能分析

        3.2.5 EtherMAC的應用層協(xié)議

        3.2.6 主站協(xié)議棧設計

        3.2.7 基于EtherMAC的RTEX網關設計

    3.3 總線式軟運動控制器的設計

        3.3.1 總體結構設計

        3.3.2 跨平臺程序調用機制的實現(xiàn)方法研究

        3.3.3 運動控制功能的可編程接口設計

        3.3.4 原型機驗證

    3.4 本章小結

第4章 開放式實時機器視覺的實現(xiàn)方法研究

    4.1 關鍵問題與解決方法

        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 測試方法設計

        4.3.2 圖像處理算法

        4.3.3 測試結果分析

    4.4 本章小結

第5章 總線式運動控制系統(tǒng)的測試方法研究

    5.1 測試方法設計

    5.2 測試裝置結構設計

    5.3 數(shù)據(jù)偵聽器設計

        5.3.1 硬件結構設計

        5.3.2 數(shù)據(jù)偵聽機制

    5.4 測試軟件設計

        5.4.1 實時數(shù)據(jù)采集平臺搭建

        5.4.2 軟件整體結構設計

    5.5 本章小結

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)學模型

        6.1.2 輪廓誤差的數(shù)學模型

        6.1.3 軌跡優(yōu)化產生的誤差

    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 測試過程與結果

    6.3 本章小結

第7章 開發(fā)實例：視覺引導的機器人控制系統(tǒng)

    7.1 控制系統(tǒng)功能分析

    7.2 系統(tǒng)總體結構設計

    7.3 系統(tǒng)軟件功能設計

        7.3.1 機器視覺功能設計

        7.3.2 機器人控制功能設計

        7.3.3 結果分析

    7.4 本章小結

第8章 總結與展望

    8.1 全文總結

    8.2 創(chuàng)新點

    8.3 展望

參考文獻

攻讀博士學位期間論文及科研情況

    學術論文

    發(fā)明專利

    科研項目

致謝

學位論文評閱及答辯情況表

 

 

參考文獻

 

期刊論文

 

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