基于LabVIEW的轮式移动机器人测控系统的研究

摘 要：本文提出了一种在LabVIEW环境下用于轮式移动机器人运动控制和测量的方法。该系统是典型的上下位机测控系统，下位机pmac接收并解释上位机的指令，实现执行器速度环和位置环的闭合；上位机基于labview环境下通过调用动态链接库实现了运动控制的同时可以有效地采集执行器和移动机器人的运动参数。本测控方案极大降低了编程难度，同时提高了运行的效率。

关键词：运动控制 数据采集 动态链接库 轮式移动机器人

中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0001-02

近些年来，移动机器人的运动控制已经成为机器人学领域的研究热点之一。机器人学是一门具有强综合性的前沿学科，设计人员不仅需要具备交叉学科的基础理论知识，同时还需要有相关的技术能力。如何降低机器人系统开发的技术门槛和缩短开发周期，将更多精力集中在理论研究上，已经成为当今机器人领域的一个现实问题。

文献[1]针对管道机器人的运动控制需要提出一种基于ARM+FPGA测量控制方案，具体做法是在ARM上完成运动控制算法的计算和数据存储，利用FPGA完成7通道编码器的采样，该测控系统的优势在于极大减少了系统外部走线和简化了结构。LEGOMindstormsNXT[2]也提供了基于ARM解决方案的机器人测控系统，其最大特点是传感器接口丰富。文献[3]基于虚拟仪器技术建立了一套管道焊接机器人运动控制平台，具体做法是使用NI-DAQ实时采集机器人状态信息并同时向运动控制模块发送控制命令，采用这种测控的最大优势是在软件上集成度较高，方便操作。本文以轮式移动机器人为对象提出一种简单便于组建的测量控制方案，其优点在于采用pmac上位机程序的同时，极大地降低了程序的开发难度，并提高了系统运行的可靠性。

1 总体方案设计

移动机器人测控系统由控制模块、数据感知与采集模块、指令与数据分析处理模块构成。指令与数据分析处理模控制程序流程的控制，数据的分析处理与保存。数据感知与采集模块负责采集感知和获取移动机器人的状态信息和电机的输出信号，并通过USB总线将数据送给指令与数据分析处理模块。控制模块主要由运动控制器和执行器构成，该模块主要功能有二点：第一，负责运动指令的编译、解释和执行；第二，驱动执行器按设定的轨迹运动，即产生所需要的控制输入。

2 测量控制系统

轮式移动机器人测控系统需要完成以下任务：在指定的时间内，驱动移动机器人从初始位形运动到终止位形，实时采集机器人和执行器的状态信息，并将最终的数据处理结果显示到计算机的屏幕上。

2.1 硬件结构

轮式移动机器人测控系统依据上下位机形式组建，如图3所示，计算机作为上位机实现人机交互功能，运动控制指令和数据采集程序的编写，完成数据的分析和处理。下位机由控制模块和数据感知与获取模块构成，主要负责对程序的编译、解释和执行；物理信息的感知和获取。

测控系统的二个交流步进电机，选用容量为400 W的德昌步进电机，伺服方式采用脉冲方向和电压控制方式，根据步进电机的控制方式，运动控制器采用Delta-Tau公司的turbopmacⅡ型卡，它采用MotorolaDSP56001数字信号处理器作为CPU，对不同电动机，PMAC可提供相应的控制信号，并可接收各种检测元件的反馈信号，如测速发电机、旋转变压器、并行数据、编码器、光栅尺等，本系统采用增量编码器作为伺服检测装置，进而检测电机的运动状态，在pmac和步进电机之间形成了精确的位置反馈和速度反馈。机器人的其他位姿信息可以由里程计读出，通过PCI-DAQ采集并送到上位机中处理。

2.2 软件结构

轮式移动机器人测控系统基于LabVIEW环境开发上位机程序，可以很容易地实现数据管理和程序流程控制，但是步进电机的运动控制程序需要在PEWIN32环境下编写。这里就有一个迫切需要解决的问题：即在运动控制的同时，如何有效实时地采集数据，这涉及到数据采集和运动控制编程环境融合的问题。

Delta-Tau针对运动控制提出了两种编程方式，第一种称为运动程序，运动程序在PEWIN32环境下开发，支持G代码或者Delta指定的开发指令，最后下载至pmac上执行，这种编程方式的优点是程序书写简单，编译执行速度快，缺点就是程序开发环境受限。第二种称为上位机程序，具体做法是通过调用Delta提供的PCOMM32.DLL动态链接库文件，实现对turbopmacⅡ型卡的编程，与运动控制程序不同的是，使用上位机程序，运动控制指令是在上位机中编译和运行的。上位机程序的优势是可以实时监控办板卡的状态，可以自定义编程环境，但其缺点也是显而易见的，PCOMM32.DLL库中拥有超过400个函数[4]，这无疑增加了程序开发难度。

本测控系统的运动控制程序采用上位机的编程方式，但做了进一步的改进，系统的软件结构如图4所示。在PEWIN32中编写运动控制程序，下载到pmac的EPROM中，然后LabVIEW中装载PCOMM32.DLL后，指向EPROM中的运动控制程序并执行。上位机同时完成数据采集和程序流程控制。即利用简单的代码编写运动控制程序，上位机调用动态链接库并执行下位机中的运动控制程序。基于图4的软件结构，可以在LabVIEW环境中轻松实现数据采集和运动控制，同时简化了编程难度和降低了程序开发过程中对函数库的依赖，提高运动控制程序运行的效率。

3 结论

本文针对轮式移动机器人提出了一种基于LabVIEW环境开发的测控系统，以这种形式组建的系统极大降低了编程难度，同时提高了系统运行的效率和可靠性，同时可为今后全反馈控制提供技术依据。

参考文献

[1] 陈宏钧，鲁思兆，姜生元，等.管道机器人三轴差速器性能测控系统[J].控制工程，2011，18（1）：123-127.

[2] SEMIA Corp.（2006），LEGO Mindstorms NXT’REME，2006.

[3] 李慨，岳宏，赵海文，等.基于虚拟仪器的管道环焊机器人测控系统[J].仪器仪表学报，2006，27（6）：416-418.

[4] Delta Tau Corp.（2003），Software Reference Manual Pcomm32PRO，January 28，2003：11-12.