本發明涉及實時通訊運動控制
技術領域：
，特別涉及一種支持認知的運動控制方法。
背景技術：
：運動控制(MC)是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構的一些設備如液壓泵，線性執行機或者是電機來控制機器的位置或速度。運動控制在機器人和數控機床的領域內的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制(GMC)。運動控制被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配工業中。運動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。早期的運動控制技術主要是伴隨著數控技術、機器人技術和工廠自動化技術的發展而發展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行的運動控制器。這類控制器主要針對專門的數控機械和其他自動化設備而設計，往往已根據應用行業的工藝要求設計了相關的功能，用戶只需要按照其協議要求編寫應用加工代碼文件，利用RS232或者DNC方式傳輸到控制器，控制器即可完成相關的動作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業應用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協議，用戶不能根據應用要求而重組自己的運動控制系統。隨著運動控制領域的飛速發展，實時通信需求的不斷提升，工業控制器方向由傳統的以秒為單位的同步控制演變到微秒級控制。EtherCAT總線技術就是為了適應于更高速的通信速度而提出。目前工業領域主流的總線技術包括Powerlink、CAN總線等，配合不同的廠商多領域的涉及，已經將實時通信技術延展到了更多的領域。針對運動控制領域，各大廠家都提出了基于快速總線通信的解決方案。運動控制產品主要以運動控制卡和運動模型庫為主。但現有運動控制器多固化了運動控制模塊，在面對應用場景變更，控制要求變更等情況下，都要進行重新設計重新編譯部署等工作，因此大大的限制了運動控制器的靈活性。同時現有運動控制器與驅動器之間通信協議種類繁多，因此需要一套標準的通信協議定義出一套通用性的應用層協議格式。綜上所述，運動控制器在實現運動控制功能的基礎上，還應該支持認知學習，實現對實際運動控制效果的在線調整。另一方面針對通信協議各異、標準不統一的問題，設計基于CANopen應用層協議的運動控制器，將運動控制參數統一映射到構建的統一地址模型中，并通過通信層EtherCAT接口進行實時控制。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題在于，提供了一種支持認知的運動控制方法。針對現有技術中存在的上述不足之處，克服現有控制器存在的不足，提供一種基于EtherCAT技術的運動控制方法，不僅能夠將伺服驅動器所需數據進行實時采集和傳輸，還能將數據定義出CANopen應用層模型進行統一管理。同時本發明還提出了一套支持認知學習的解決方案。為解決上述技術問題，本發明提供了一種支持認知的運動控制系統，包括：以太網接口單元、以太網控制單元、SRAM存儲單元、主控單元、控制單元、指示燈單元、供電單元，以及：運動控制功能庫模塊、控制模塊、EtherCAT總線通信模塊、程序監聽模塊。所述主控單元優選分別與以太網控制單元、SRAM存儲單元、通信接口轉換單元、按鍵單元、指示燈單元、供電單元呈星形連接；所述供電單元為所有單元供電。所述供電單元優選進一步包括降壓開關電源模塊及其外圍保護、濾波、穩壓電路；所述降壓開關電源模塊的輸入端連接有防浪涌電路，使本網關具有抗雷擊和沖擊的性能；所述降壓開關電源模塊將輸入的220V交流電壓變為5V直流電壓；所述降壓開關電源模塊和線性穩壓器的輸出端都設置有濾波電路。所述運動控制功能庫模塊，可以用于根據被控對象的控制模型建立控制算法庫；所述控制模塊，可以用于控制被控對象執行運動指令的應用程序主邏輯進程；所述EtherCAT總線通信模塊，可以用于控制器和伺服驅動器之間的總線通信，包括狀態采集和指令傳輸；所述程序監聽模塊，可以用于處理運動控制器的請求響應，其中包括基于網絡的更新請求和基于硬件按鍵的中斷請求。為解決上述技術問題，本發明又提供了一種如前述任一項所述支持認知的運動控制系統的使用方法，包括以下步驟：步驟S1：上電，初始化運動控制器；步驟S2：執行運動控制主程序，同時觸發執行監聽線程和EtherCAT總線通信線程；步驟S3：通過EtherCAT總線協議，檢查網絡結構，初始化伺服驅動器，實時采集伺服驅動器狀態信息；步驟S4：讀取伺服驅動器狀態參數和運動控制指令解析運動控制模型，生成運動控制指令，若運動控制指令為空，則等待；步驟S5：實時傳輸運動控制指令，重復步驟S3；步驟S6：若觸發硬件中斷觸發，則執行步驟S1；若觸發網絡更新請求，則執行程序下載，完畢后執行步驟S1。為解決上述技術問題，本發明另提供了一種支持認知的運動控制方法，包括以下步驟：主控單元執行運動控制主進程，并觸發EtherCAT總線通信線程和監聽線程；通過EtherCAT總線通信線程，根據EtherCAT總線通信層協議檢查網絡結構、初始化伺服驅動器；通過監聽線程對信號量進行監聽：當監聽到中斷信號，則主控單元重置；當監聽到認知線程發送的變更請求時，進行在線更新；同時，通過運動控制主進程解析上位機發來的運動控制任務：根據運動控制任務確定伺服驅動器狀態信息參數列表和運動控制指令；根據EtherCAT總線應用層協議實時采集伺服驅動器狀態信息，并解析運動控制模型生成控制命令實時傳輸給伺服驅動器。所述伺服驅動器狀態信息優選根據CIA402應用層協議封裝，包括狀態字、實時速度信息、實時扭矩信息、實時末端位置信息、當前運動控制模式。所述運動控制指令優選根據CIA402應用層協議封裝，包括指令字、速度信息、扭矩信息、末端位置信息、運動控制模式。所述認知線程優選用于解析控制器配置信息，監控系統主狀態機，檢查系統庫更新以及想主進程發送變更請求的輔助控制線程。所述認知線程發送變更請求優選包括：當認知線程在監控控制器主狀態機和運行庫時發現主狀態機或運行庫有新版本，或者，當基于歷史數據的認知學習發現有更優化參數產生時，由認知線程向主進程發送變更請求，主進程調用系統更新服務。本發明產生的有益效果包括：1.采用支持認知的運動控制器進行運動控制，適用于運動控制研究階段、調試階段以及后期維護階段，覆蓋整個運動控制產品的生命周期，使運動控制器能夠最大限度的適配不同被控對象，大大的降低了維護成本，同時適應于算法研究過程中對在線調試的要求，復用性強。2.本設計通過監聽線程的方式實現了運動功能模塊的在線更新，使得運動控制器能夠最大限度的應用于復雜運動控制場景，同時依托EtherCAT總線接口實現實時控制，網絡結構非常靈活。3.能夠真正實現運動控制應用層接口的統一化。運動控制器內置EtherCAT通信協議，并通過CANopen應用層協議將伺服驅動器狀態參數和控制命令實時進行通信，并且能夠保障同步周期在100微秒以內，實現快速有效的運動控制解決方案。附圖說明圖1為本發明實施例所述支持認知的運動控制系統結構圖；圖2為本發明實施例所述支持認知的運動控制方法工作原理圖；圖3為本發明實施例所述支持認知的運動控制系統工作狀態機示意圖。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明并不局限于這些實施例。本發明支持認知的運動控制方法，適用于各種運動控制應用場景，尤其適用于對認知學習有要求的控制領域。EtherCAT(以太網控制自動化技術)是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統，EtherCAT名稱中的CAT為ControlAutomationTechnology(控制自動化技術)首字母的縮寫。最初由德國倍福自動化有限公司(BeckhoffAutomationGmbH)研發。EtherCAT為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，同時，它還符合甚至降低了現場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協議(SIL3)。EtherCAT協議針對過程數據進行了優化，它被直接傳送到以太網幀，或被壓縮到UDP/IP數據報文中。UDP協議在其它子網中的EtherCAT網段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網幀可能包含若干個EtherCAT報文，每個報文專門用于特定存儲區域，該存儲區域可編制大小達4GB的邏輯過程鏡像。由于數據鏈獨立于EtherCAT端子物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。EtherCAT協議還可處理通常為非循環的參數通訊。參數的結構和含義通過CANopen設備行規進行設定，這些設備行規用于多種設備類別和應用。EtherCAT還支持符合IEC61491標準的從屬行規。該行規以SERCOS命名，被全球運動控制應用領域普遍認可。除了符合主站/從站原理的數據交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間(主站/主站)的通訊。可自由編址的過程數據網絡變量以及各種參數化、診斷、編程和遠程控制服務，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數據接口是相同的。CANopen是一種架構在控制局域網路(ControllerAreaNetwork,CAN)上的高層通信協協議，包括通信子協議及設備子協議，常在嵌入式系統中使用，也是工業控制常用到的一種現場總線。CANopen實現了OSI模型中的網絡層以上(包括網絡層)的協定。CANopen標準包括尋址方案、數個小的通訊子協定及由設備子協定所定義的應用層。CANopen支援網絡管理、設備監控及節點間的通訊，其中包括一個簡易的傳輸層，可處理資料的分段傳送及其組合。一般而言數據鏈結層及物理層會用CAN來實作。除了CANopen外，也有其他的通訊協定(如EtherCAT)實作CANopen的設備子協定。CANopen由非營利組織CiA(CANinAutomaion)進行標準的起草及審核工作，基本的CANopen設備及通訊子協定定義在CANinAutomation(CiA)draftstandard301.中。針對個別設備的子協定以CiA301為基礎再進行擴充。如針對I/O模組的CiA401及針對運動控制的CiA402。在本發明的一實施例中，為實現本發明目的所采用的技術方案是：一種支持認知的運動控制方法，包括以下步驟：主控單元執行運動控制主進程，并觸發EtherCAT總線通信線程和監聽線程；通過EtherCAT總線通信線程，根據EtherCAT總線通信層協議檢查網絡結構、初始化伺服驅動器；通過監聽線程對信號量進行監聽：當監聽到中斷信號，則主控單元重置；當監聽到認知線程發送的變更請求時，進行在線更新；同時，通過運動控制主進程解析上位機發來的運動控制任務：根據運動控制任務確定伺服驅動器狀態信息參數列表和運動控制指令；根據EtherCAT總線應用層協議實時采集伺服驅動器狀態信息，并解析運動控制模型生成控制命令實時傳輸給伺服驅動器。所述伺服驅動器狀態信息根據CIA402應用層協議封裝，包括狀態字、實時速度信息、實時扭矩信息、實時末端位置信息、當前運動控制模式。所述運動控制指令根據CIA402應用層協議封裝，包括指令字、速度信息、扭矩信息、末端位置信息、運動控制模式。所述認知線程是用于解析控制器配置信息，監控系統主狀態機，檢查系統庫更新以及想主進程發送變更請求的輔助控制線程。所述認知線程發送變更請求是指當認知線程在監控控制器主狀態機和運行庫時發現主狀態機或運行庫有新版本，當基于歷史數據的認知學習發現有更優化參數產生時，由認知線程向主進程發送變更請求，主進程調用系統更新服務。所述主進程調用系統更新服務，將運動控制模塊更新文件替換當前運動控制模塊中的待更新部分的目標代碼文件，重新連接生成可調用的運動控制模塊包括以下步驟：當更新內容為主狀態機時，系統更新服務將停止當前所有服務，重新啟動主進程已完成主狀態機更新；當更新內容為運行庫時，系統更新服務將停止當前運行庫更新部分相關服務，并將系統重新鏈接至新版本庫文件，即可完成在線更新；當更新內容為優化參數時，系統更新服務首先檢索優化參數名稱，查找運動控制模塊在內存中的起始地址及偏移量；然后根據起始地址及偏移量調用內存訪問接口，將運動控制模塊更新文件寫入當前內存；最后通過運動控制模塊原有連接方法，實現運動控制功能模塊的更新，并向主進程發送更新完成信號。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。在本發明的另一實施例中，如圖1所示，為本發明實施例所述支持認知的運動控制系統結構圖。圖中，本發明的運動控制器硬件裝置主要包括以太網接口單元、以太網控制單元、SRAM存儲單元、主控單元、控制按鍵和指示燈單元和供電單元。數據處理單元中主控單元與以太網控制單元、SRAM存儲單元、通信接口轉換模塊、控制按鍵、指示燈單元、供電單元呈星形連接；所述供電單元為數據處理單元中其他所有單元供電。所述主控單元由TI公司生產的AM335x系列Cortex-A8處理器及其外圍電路組成；所述SRAM存儲器單元由ISSI公司生產的IS61WV102416BLL芯片及其外圍電路組成；所述以太網控制單元由TI公司生產的DP83848CVV芯片及其外圍電路組成；所述指示燈單元由貼片LED組成；所述供電單元由金升陽公司生產的降壓開關電源模塊及其外圍保護、濾波、穩壓電路組成。在降壓開關電源模塊的輸入端連接有防浪涌電路，使本網關具有抗雷擊和沖擊的性能；降壓開關電源模塊將輸入的220V交流電壓變為5V直流電壓，由于上述各單元工作電壓都為3.3V,因此采用AS1117線性穩壓器將電壓降為3.3V，在降壓開關電源模塊和線性穩壓器的輸出端都設計了濾波電路。本發明的運動應用程序主要包括運動控制功能庫、控制主進程、EtherCAT總線通信線程和程序監聽線程組成。所述的運動控制功能庫，是根據被控對象的控制模型建立的控制算法庫；所述的控制主進程，是控制被控對象執行運動指令的應用程序主邏輯進程。所述的EtherCAT總線通信線程，是控制器和伺服驅動器之間的總線通信，包括狀態采集和指令傳輸。所述的程序監聽線程，是處理運動控制器的請求響應，其中包括基于網絡的更新請求和基于硬件按鍵的中斷請求。在本發明的再一實施例中，如圖2所示，為本發明實施例所述支持認知的運動控制方法工作原理圖。本發明支持認知的運動控制器，其執行過程包含以下步驟：步驟S1：上電，初始化運動控制器；步驟S2：執行運動控制主程序，同時觸發執行監聽線程和EtherCAT總線通信線程；步驟S3：通過EtherCAT總線協議，檢查網絡結構，初始化伺服驅動器，實時采集伺服驅動器狀態信息；步驟S4：讀取伺服驅動器狀態參數和運動控制指令解析運動控制模型，生成運動控制指令，若運動控制指令為空，則等待；步驟S5：實時傳輸運動控制指令，重復步驟S3；步驟S6：若觸發硬件中斷觸發，則執行步驟S1；若觸發網絡更新請求，則執行程序下載，完畢后執行步驟S1。下面就本發明的運動控制應用程序部分具體實施方式做進一步詳細說明。本實施例中要求確保運動控制器與伺服驅動器之間保持穩定連接。在本發明下一實施例中，如圖3所示，為本發明實施例所述支持認知的運動控制系統工作狀態機示意圖。將運動控制器接通24v直流電，啟動控制器，通過運動控制主進程初始化運動控制器，同時觸發監聽線程和EtherCAT通信線程。當應用任務存在時，控制器狀態切換為執行狀態，根據伺服驅動器狀態參數和運動控制模型解算運動控制，生成運動控制指令，并通過EtherCAT總線協議進行傳輸，待指令下發后運動控制器狀態切換至停止狀態。當應用任務不存在時，控制器狀態直接切換為停止狀態。當運動控制器初始化失敗則運動控制器本周期內狀態為錯誤狀態。當在執行狀態時，運動控制器出現非嚴重錯誤則從新執行，若出現嚴重錯誤則運動控制器狀態切換至停止狀態。其中所述的運動控制器監聽線程和EtherCAT通信線程只執行一次，而運動控制器任務狀態切換是在運動控制器主程序中周期性執行。當運動控制器監聽線程接收到中斷信號量時，運動控制器中斷當前執行任務，關閉監聽線程和EtherCAT總線通信線程。若中斷信號量為Reset信號時，重新執行運動控制器主進程初始化；若中斷信號量為Close信號時，關閉運動控制器主進程。當運動控制器監聽線程接收到由上位機發送的運動控制模塊更新信號SIGEV_INTR時，主進程向任務線程發送SIGEV_SIGNAL，停止當前運動控制任務，并將通過EtherCAT總線將伺服驅動器運動狀態切換至停止狀態，同時開始接收上位機發來的運動控制模塊更新文件，待接收完成后上位機向主控單元發送接收完成信號SIGEV_DOWN。主進程調用主控單元內嵌操作系統更新服務，替換當前運動控制模塊中的待更新部分的目標代碼文件，重新連接生成可調用的運動控制模塊，向主進程發送SIGEV_NONE，重新初始化主控單元。所述的系統更新服務，是基于共享內存的技術實現的用于對運動控制功能塊在線更新的服務，該服務將注冊在主控單元內嵌系統的服務掛載目錄內，隨設備上電初始化啟動。所述的更新服務具體執行過程，包括如下步驟：步驟S1：解析認知線程更新請求，獲取更新目標來源。步驟S2：若判斷目標來源為主狀態機，系統更新服務將停止當前所有服務，重新啟動主進程已完成主狀態機更新；步驟S3：若判斷更新內容為運行庫，系統更新服務將停止當前運行庫更新部分相關服務，并將系統重新鏈接至新版本庫文件，即可完成在線更新；步驟S4：若判斷更新內容為優化參數，系統更新服務首先檢索優化參數名稱查找運動控制模塊在內存中的起始地址及偏移量，然后根據起始地址及偏移量調用內存訪問接口將運動控制模塊更新文件寫入當前內存；步驟S5：最后通過運動控制模塊原有連接方法實現運動控制功能模塊的更新，并向主進程發送更新完成信號。當運動控制器EtherCAT通信線程觸發時，則運動控制器將通過EtherCAT總線和伺服驅動器進行通信。將狀態信息和控制指令按照CIA402應用層協議進行封裝，實現運動控制的接口格式的一致性，且保證運動控制器的通用性。所述的CIA402應用層協議是CANopen針對運動控制領域規定的通信標準，在EtherCAT通信過程中按照CIA402協議定義數據字典，如表1所示，運動指令定義包括控制字數據對象、運行模式定義和運行指令定義等；如表2所示，運動反饋定義包括狀態字數據對象、運動模式數據定義以及運動狀態定義。表1運動指令定義表索引號類型定義0x607A:004字節位置指令值0x60FF:004字節速度指令值0x6071:002字節扭矩指令值0x6060:001字節運行模式0x6040:002字節控制字表2運動反饋定義表索引號類型定義0x6064:004字節實際位置0x6077:002字節實際扭矩0x606C:004字節實際速度0x60F4:004字節跟隨誤差0x6061:001字節實際運行狀態0x6041:002字節狀態字本發明具有良好的交互性與通用性，使用支持認知的高速運動控制器，能夠大幅度的縮短運動控制功能研發周期，降低控制器研制成本。同時通用的高速EtherCAT通信接口能夠讓本發明運動控制器適應于各種運動控制場景。以上所述，僅是本發明的幾個實施例，并非對本發明做任何形式的限制，雖然本發明以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的范圍內，利用上述揭示的技術內容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術方案范圍內。當前第1頁1 2 3