基于实时以太网的机器人通信总线控制系统

０ 引 言
机器人伺 服通 信 总线 必 须满 足 通讯 可 靠 、传 输 实 时、 反馈同步等要 求 ，同时也应 有 良好 的开 放性 ，方便 集成 和 扩展 。 目前还没有 专用 的机 器人伺 服通信 总线 ，在工业 上 常将 以太 网 、ＣＡＮ、１３９４、ＳＥＲＣＯＳ、ＲＳ－４８５等用 作机 器 人伺服通信 系统 ，这 些通 信总线 在快 速性 、扩 展性 、易实 现性 、经济性上都难 以满 足机 器人 伺服通信的需要 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｓ ａｎｄ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥｔｈｅｒＣＡＴ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｔｔｌｅ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｅｌａｙ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｕｓｅｄ ａｓ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｃｏｍｍ ｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｅｌａｙ ｏｎｌｉｎｅ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＬＳＳＶＭ． Ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｅｌａｙ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｎｅｔ—
采用实时 以太 网作 为机器人 伺服 控制 总线 ，虽然 延迟 很小且可精确 测量 ，但 仍然对 控制 系统有 一定影 响 。针 对 网络控制系统 的通信延迟 ，文献 ［３］采 用遗忘 因子递推 最 小二乘法 估计 时延 参数 ，然后 用 ｓｍｉｔｈ预 估 器 补偿 时延 ， 并将小脑模型与 ＰＤ控制 器 结合 减小 控 制偏 差 ；文 献 ［４］ 设计 了一种具有预测 功能 的 ＰＩＤ控 制器 ，利 用延 时补偿 器 进行 时延补偿 ，改 善控制 性能 ；文献 ［５］ 利用控制 器计算 的冗余控 制量 预测 补偿 网络延时和包丢失 ；文献 ［６］采用 多元 线性 回归算 法 ，预测 下一 时刻 系统 回路 延时 ，应 用广 义预测控 制器 产生 的冗余 控制信 息 ，改 善时变 延时对 系统 性 能 的影 响 。
２０１６年 ５月 第 ３７卷 第 ５期
计 算机 工程 与设 计
ＣＯＭ ＰＵＴＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ
Ｍ ａｖ ２Ｏ１６ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．５
基于实时 以太 网的机器人通信总 线控制 系统
左 韬 ， 闵华松 ，张雄 希
（武汉科技 大 学 信 息科 学与 工程 学院 ，湖北 武 汉 ４３００８１）
本 文采 用 Ｅｔｈｅ ＡＴ实 时 以太 网构 建 机 器 人 伺 服 通 信 总线 ，整 个 网 络 范 围 内主 从 时 钟 可 达 到 微 秒 级 同步 ， 主 站与 １００个 伺服 轴 的通 讯 只需 １Ｏ０ Ａｔｓ。其 网络 实时 性 高 、拓 扑灵 活 、技术 开 放 ，可 以极 大 地 提 高 机器 人 的控 制 性能 ＿１ ］。
本文提 出一 种 时延可 变 的 自校 正 Ｐ１Ｄ 网络控 制方 法 ， 首先 通 过最 小 二 乘 支持 向量 机ｌ７ ］ （１ｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｓｕｐｐｏｒｔ
收稿 日期 ：２０１５－０６－０８；修订 日期 ：２０１５—０８—２３ 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 （６１１７５０９４）；湖北省教育厅科 研计划基金项 目 （Ｑ２０１２１１０３）；钢铁冶金 及资源利 用省部共 建教育部 重 点实验室开放基金项 目 （ＦＭＲＵ２０１２１０）；冶金 自动化与检测技术 教育部工程研究 中心开放基金项 目 （ＭＡＲｃ２Ｏ１３Ｏ３） 作者 简介 ：左韬 （１９７６一），男 ，湖北襄 阳人，博士 ，副教授 ，研究方 向为 目标跟踪及机器 人控制技术 ；闵华松 （１９６９一），男 ，湖北孝感人 ， 博 士后 ，教授，研究方 向为机器人 技 术；张 雄希 （１９７６一），男 ，湖南 岳 阳人 ，博 士研 究 生，讲师 ，研究 方 向 为检 测技 术 及智 能控 制 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｕｏｍｕ６６６＠ １６３．ＣＯＩＴＩ
摘 要 ：设计一种 以实时以太网 ＥｔｈｅｒＣＡＴ为基础的机器人伺服 通信总线控 制 系统 ，具有 时延 小、可扩展性 强的优 点。分 析 实时以太网通信 总线的网络诱 导时延 ，采用最小二乘支持 向量机对 网络 时延进 行在 线预 测 ；在此基础 上 ，采用可 变时延 自校正 ＰＩＤ控制 器，在线辨识控制 对象的参数 ，适应控 制对象模 型的变化。仿真结果表明 了网络 延 时预测 的性能和 网络控 制 系统 的控制性 能，该 系统能够实现 闭环稳定控制。 关键词 ：机 器人 ；实时以太网 ；最小二乘支持 向量机 ；自校正 ＰＩＤ控制 ；时延 中 图 法分 类 号 ：ＴＰ２４２ 文 献 标 识 号 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００—７０２４ （２０１６）０５—１１４０—０５ ｄｏｉ：１０．１６２０８／ｊ．ｉｓｓｎｌ０００—７０２４．２０１６．０５．００５
ｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｏｎｌｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｌａｙ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｏｂｏｔ；ｒｅａｌ—ｔｉｍ ｅ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＬＳＳＶＭ ；ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｅｌａｙ
Ｃｏｎｔｒｏ１ ｓｓｔｅｍ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｕｓ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍ ｅ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ
ＺＵＯ Ｔａｏ，Ｍ ＩＮ Ｈ ｕａ－ｓｏｎｇ，ＺＨ ＡＮＧ Ｘｉｏｎｇ－ｘｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗ ｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗ ｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ）