雙臂單腿跳躍機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究

Windows系統(tǒng)本身不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但是，對(duì)于采用上／下位機(jī)模式(如PC+DSP)的控制系統(tǒng)，因?yàn)橄挛粰C(jī)的定時(shí)精度高且響應(yīng)快，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，同樣可以保證整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

針對(duì)單腿跳躍機(jī)器人控制的要求，重點(diǎn)研究了實(shí)時(shí)控制技術(shù)，并給出具體控制方案。在聯(lián)機(jī)調(diào)試之前，先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制方案的可行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的搭建

本文所研究的是一種新型彈性單腿機(jī)器人，該機(jī)器人采用雙臂驅(qū)動(dòng)，彈性伸縮腿中不安裝驅(qū)動(dòng)部件，系統(tǒng)依靠?jī)?nèi)部動(dòng)力學(xué)耦合實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)站立平衡、起跳和穩(wěn)定連續(xù)跳躍。其機(jī)械本體如圖1所示。

兩個(gè)直流伺服電機(jī)安裝在機(jī)器人的臂端，電機(jī)的輸出經(jīng)由鋼絲傳到機(jī)器人肩部，從而實(shí)現(xiàn)臂的擺動(dòng)。電機(jī)自帶編碼器，測(cè)臂的擺角；機(jī)器人肩部裝有陀螺儀，測(cè)身體的傾角；腿部有一直線位移傳感器，用以測(cè)腿的伸縮長(zhǎng)度。

考慮到本雙臂單腿跳躍機(jī)器人主要為研究先進(jìn)控制理論和方法提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其控制系統(tǒng)采用上／下位機(jī)的模式，主要由PC機(jī)、DSP(Digital Signal Processor)及機(jī)器人本體上的各傳感器組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

PC與DSP之間通過(guò)CAN總線來(lái)通信。CAN適配卡采用周立功公司的PCI9810。PC作為上位機(jī)可充分利用其現(xiàn)有的軟件工具和開發(fā)環(huán)境，方便實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理；DSP(TI公司的TMS320F2812)作為下位機(jī)則利用其高速運(yùn)算和精確定時(shí)。

2 Windows下的實(shí)時(shí)控制

這里希望在目前使用最廣的Windows平臺(tái)上開發(fā)實(shí)時(shí)控制軟件，以充分發(fā)揮其圖形功能和豐富的軟硬件支持，減少開發(fā)難度，提高軟件的通用性。所以在上位機(jī)采用的操作系統(tǒng)仍然是Windows系統(tǒng)。

但是，Windows并非一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，或者僅能稱為“弱實(shí)時(shí)”。他是基于消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制的操作系統(tǒng)，一旦計(jì)算機(jī)的CPU被某個(gè)進(jìn)程占用，或系統(tǒng)資源緊張時(shí)，任何其他消息或進(jìn)程都將被暫時(shí)掛起而無(wú)法實(shí)時(shí)處理。

所謂實(shí)時(shí)，就是要在特定的時(shí)間間隔內(nèi)完成特定的任務(wù)。參考二級(jí)倒立擺控制周期(6～10 ms)和Raibert的SLIP跳躍機(jī)器人控制周期(6 ms)，把控制周期定為5 ms。

2.1 控制方案

精確定時(shí)是實(shí)時(shí)控制中的關(guān)鍵指標(biāo)，若不對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，Windows能達(dá)到的定時(shí)精度最高僅為1 ms，受其他任務(wù)干擾時(shí)精度會(huì)更低。如果僅用PC控制機(jī)器人，是無(wú)法保證實(shí)時(shí)性的。

然而，對(duì)于上／下位機(jī)模式的控制系統(tǒng)，定時(shí)精度可以由下位機(jī)來(lái)保證，上位機(jī)只需在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)完成任務(wù)并響應(yīng)即可。從某種意義上說(shuō)，實(shí)時(shí)性其實(shí)是一個(gè)靠近下位的概念，生物具有高超的協(xié)調(diào)能力并不總需處于最上位的大腦的時(shí)刻關(guān)注。

大腦也是個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，他總會(huì)被其他的事情干擾，但要進(jìn)行某一控制時(shí)，他須具備2點(diǎn)：

(1)及時(shí)響應(yīng)；

(2)一次給下位足夠的信息和權(quán)限以便委任之。

這里要注意(1)中“及時(shí)”這個(gè)概念，他指上位可在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)作出響應(yīng)，而不是在某個(gè)精確的時(shí)間點(diǎn)。而且，當(dāng)(2)成立時(shí)，上位機(jī)甚至可以在若干個(gè)控制周期里不響應(yīng)，控制仍能正常進(jìn)行。

基于以上控制思路，現(xiàn)有配置的Windows平臺(tái)下PC機(jī)完全可以勝任上位機(jī)工作。

具體控制方案為：

下位機(jī)(DSP) 精確定時(shí)，決定控制系統(tǒng)的控制周期，進(jìn)行底層的伺服控制。

上位機(jī)(PC) 不主動(dòng)動(dòng)作，只在接收到狀態(tài)量時(shí)才運(yùn)算并發(fā)送控制量。通過(guò)狀態(tài)預(yù)估，一次發(fā)送幾個(gè)控制量，包含了對(duì)未來(lái)狀態(tài)的控制。使用多線程技術(shù)，并使用Windows下最高精度的定時(shí)器來(lái)專門負(fù)責(zé)發(fā)送，保證上位響應(yīng)的及時(shí)。

上／下位機(jī)協(xié)同工作過(guò)程的示意如圖3，其中T代表控制周期。

2.2 提高實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)

在實(shí)際的機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)中，采用幾項(xiàng)提高軟件實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)，他們的引入，可以最大限度地發(fā)揮Windows的實(shí)時(shí)潛能，讓上位機(jī)更好地按照上節(jié)給出的控制方案運(yùn)行。

(1)進(jìn)程及線程技術(shù)

進(jìn)程是程序在計(jì)算機(jī)上的一次執(zhí)行活動(dòng)。當(dāng)運(yùn)行控制軟件，其進(jìn)程就被啟動(dòng)。

Windows雖然不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但他的進(jìn)程管理還是有優(yōu)先級(jí)之分的。高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程優(yōu)先運(yùn)行，只有當(dāng)高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程不運(yùn)行時(shí)，才調(diào)度低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程運(yùn)行。

Windows下進(jìn)程優(yōu)先級(jí)有：實(shí)時(shí)、高、高于標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、低于標(biāo)準(zhǔn)、低6個(gè)等級(jí)，一般程序的默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為“標(biāo)準(zhǔn)”。

這里可以API函數(shù)SetPriorityClass()將控制軟件進(jìn)程設(shè)置成“實(shí)時(shí)級(jí)”。實(shí)時(shí)級(jí)進(jìn)程能占用更多的CPU資源，這意味著減少Windows下其他任務(wù)對(duì)機(jī)器人控制的影響。

Windows下，一個(gè)進(jìn)程可以包含若干個(gè)線程，這就是多線程技術(shù)，他讓控制軟件可以同時(shí)做幾件事。

由圖3可見，軟件中主要有3個(gè)線程：線程1完成控制量的發(fā)送；線程2完成數(shù)據(jù)的接收與控制量運(yùn)算；線程3負(fù)責(zé)人機(jī)交互。

(2)多媒體時(shí)鐘

多媒體時(shí)鐘是Windows下精度最高的定時(shí)器。在控制軟件中，他負(fù)責(zé)發(fā)送控制，線程1就是由多媒體時(shí)鐘建立的，他使上位完成運(yùn)算任務(wù)后，能把已得的控制量及時(shí)發(fā)送給下位。

(3)緩沖技術(shù)

這是對(duì)提高實(shí)時(shí)性效果最顯著的技術(shù)，他包含預(yù)估工作，因?yàn)橐淮伟l(fā)送的多個(gè)控制量里有未來(lái)量。狀態(tài)的微分值(一階、二階)，是估計(jì)未來(lái)、預(yù)先給出控制量的基礎(chǔ)。

緩沖區(qū)設(shè)在下位，只要上位一次給下位的控制量足夠充足，即使上位有若干周期不發(fā)送控制量給下位也不會(huì)影響整體的控制效果。這為上位機(jī)爭(zhēng)取了更多的時(shí)間用于復(fù)雜控制算法的解算，也提高了抗干擾的能力。

以緩沖區(qū)大小等于4為例，緩沖機(jī)制的過(guò)程如圖4所示，其中T代表控制周期。可以看到即使PC有4個(gè)周期不發(fā)控制量，DSP依然能夠讀到所需的控制量(緩沖區(qū)中默認(rèn)的無(wú)控制量狀態(tài)是零)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在雙臂單腿跳躍起機(jī)器人研究的前期，因?yàn)槔碚摵图夹g(shù)水平的限制，尚不能馬上進(jìn)入聯(lián)機(jī)調(diào)試階段。但可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)先對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能作出驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中：

控制周期為5 ms；緩沖區(qū)大小為4(即一次發(fā)送四個(gè)控制量)；實(shí)驗(yàn)中所用到的一次矩陣運(yùn)算，指對(duì)某10維方陣的求逆并乘于另一方陣，系調(diào)用Matcom C++矩陣庫(kù)實(shí)現(xiàn)。一次運(yùn)算時(shí)間約0.1 ms。矩陣運(yùn)算的作用是模擬實(shí)際控制中進(jìn)行的運(yùn)算量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣頻率為200 Hz，數(shù)據(jù)值為信號(hào)電壓大小，單位為V。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

構(gòu)造一個(gè)由輸入控制輸出的系統(tǒng)，即輸出跟隨輸人的動(dòng)作，這類似于生物的反射回路，雖然算法簡(jiǎn)單，但很能說(shuō)明實(shí)時(shí)問(wèn)題。實(shí)時(shí)性不好，輸出就不能很好隨動(dòng)，對(duì)于生物就是反應(yīng)遲鈍。所以即使從直觀上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也能反應(yīng)出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好壞。

上位機(jī)中插入上百次的矩陣運(yùn)算用以模擬實(shí)際中復(fù)雜算法的時(shí)耗，從而實(shí)驗(yàn)中顯示的實(shí)時(shí)性性能同樣也可以說(shuō)明實(shí)際可用的實(shí)時(shí)性。

實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。

控制軟件的運(yùn)行界面如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，A／D采得的輸入信號(hào)經(jīng)CAN通信送給PC，PC由此來(lái)計(jì)算控制量(隨動(dòng)控制中，輸入／輸出只是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系)再經(jīng)CAN發(fā)送給DSP，最后由DA輸出給電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)最終要得到輸入與輸出曲線，看輸出能否很好地跟隨輸入。具體操作上，DSP在把控制量送給D／A的同時(shí)，也回送給PC，所以輸入和輸出數(shù)據(jù)都可由PC采集(即圖中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按鈕對(duì)應(yīng)的功能)。再借助Matlab的曲線繪制功能來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

為顯示系統(tǒng)在高負(fù)荷運(yùn)算下的實(shí)時(shí)性，以下實(shí)驗(yàn)均在插入100次矩陣運(yùn)算(時(shí)耗約為10 ms)的情況下進(jìn)行。

(1)對(duì)位置的跟蹤

輸出等于輸入，如圖7所示，可以看到他們幾乎重合。幾處不吻合的地方是因預(yù)估造成的，也說(shuō)明那一刻PC并未順利將控制量發(fā)送給DSP(100次矩陣運(yùn)算造成的)，DSP靠讀取其緩沖區(qū)中的估計(jì)控制量工作，但并不影響整體的控制效果。

如果不啟用緩沖，PC一次只發(fā)送1個(gè)控制量，將得到如圖8所示結(jié)果。

因?yàn)镈SP默認(rèn)的輸出是零，控制量的不及時(shí)到位，造成’DSP在大部分時(shí)間都輸出零。這個(gè)輸出加在電機(jī)上，根本無(wú)法控制電機(jī)隨動(dòng)。

這就是為仆么在前面說(shuō)緩沖對(duì)提高實(shí)時(shí)性效果最顯著，他彌補(bǔ)上位機(jī)非實(shí)時(shí)的弱點(diǎn)，從而增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(2)對(duì)速度的跟蹤

為了更直觀地顯示系統(tǒng)響應(yīng)的快慢，可以讓電機(jī)來(lái)跟蹤位移傳感器的速度信號(hào)。位移傳感器不動(dòng)時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，正向動(dòng)正轉(zhuǎn)，反向動(dòng)反轉(zhuǎn)。

如圖9所示，為了保護(hù)電機(jī)，輸出值是輸入的1／5?？梢钥吹?，輸出對(duì)不同頻率變化的輸入都很好地隨動(dòng)。說(shuō)明系統(tǒng)回路具備了較好的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上下位機(jī)模式控制系統(tǒng)的深入分析，發(fā)現(xiàn)，在控制同路中，對(duì)上位機(jī)的要求不是精確定時(shí)，而足及時(shí)響應(yīng)，這恰使得在 Wndows平臺(tái)下開發(fā)上位機(jī)控制軟件成為可能。由此，本文提出一種“DSP定時(shí)PC從動(dòng)”實(shí)時(shí)控制方式，并引入了緩沖機(jī)制等提高實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)，保證實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)具有較穩(wěn)健的實(shí)時(shí)性能。

本文所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)考慮較苛刻的時(shí)間及環(huán)境閃素，能說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。該實(shí)時(shí)控制方案的可行，有效降低了雙臂單腿跳躍機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本，是關(guān)鍵的階段性成果。