基于CAN總線的多機械手并行任務控制系統設計

李春龍，鄒 鯤，陸 晨，呂琳燁，葉 勇

LI Chun-long, ZOU Kun, LU Chen, LV Lin-ye, YE Yong

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

0 引言

阿克斯明斯特地毯毯面平整、豐滿，達到國際商業重量級地毯標準，需求量持續增長。但阿克明斯特地毯織機存在織造效率低，換紗工作量大，耗費時間長的缺點，通過智能紗架系統對地毯織機進行自動化改造，縮短換紗時間。該系統采用多機械手換紗及分布式控制系統設計，動作流程復雜，信號傳輸頻繁。針對這些特點，本文設計了基于CAN總線的并行任務控制系統。

設計通過同步控制器將功能分層、控制分散[1]，有效將控制重心下移，提高了系統的可靠性和應用靈活性，避開了傳統多機械手系統由上而下集中控制的缺陷，各機械手可以分布在相對開闊的工作現場。對于復雜任務，通常以有意識協作協的異構多機器人系統來完成，該類系統一般規模較小，個體智能水平較高[2,3]，能夠獲得更優化的解，但系統功能的實現要依賴復雜的協調控制機制[4,5]，對通信的要求較高，設備成本明顯增加。本設計充分利用分布式控制的特點，將單一層面的并行控制[6]擴展到多層控制，使中轉機械手、使中轉站和續紗機器人等多機械手的智能性大大提高，系統能夠以簡化的協調控制機制完成復雜的任務。通過對CAN總線功能的擴充，文中設計了樹狀的通信網絡拓撲結構，使各節點具有一定的互用性和可擴充性，簡化了系統的安裝和調試，增強了多機械手系統在紡織行業中的適用性。

1 總體結構設計

1.1 拓撲結構

系統機械結構包括絡紗機、中轉機械手、中轉站、續紗機器人和紗架五個部分。系統同時控制多臺絡紗機進行卷繞，卷繞好的紗團由一臺中轉機械手分批放入兩個不同工位的紗箱中，再由兩臺中轉站將紗箱分別轉運給兩臺續紗機器人。在換紗過程中，續紗機器人在紗架組成的巷道中長距離運動，完成不同位置的換紗任務。

由于紗線的卷繞、運輸、續紗等都是同時進行且任務之間也存在著一定的邏輯順序，所以機械手間必然要求靈活的并行或串行控制。另外系統中機械手數量較多，單就續紗機器人的電機數量就有將近20個，上位機控制負荷過重。本設計模仿生產車間的運行機制，將控制系統劃分為工長級、工人級和肢體級的三個控制層級，具體如圖1所示，為CAN總線網絡樹狀結構示意圖。絡紗機、中轉站和續紗機器人等工人級節點既能接收上位機的并行任務也能控制肢體級節點順序執行同步控制器分解的底層任務。

系統應用層協議則采用主從通訊模式[7]。工長級節點（即上位機）將整體任務分解為一級子任務下發到工人級節點（即同步控制器）或以查詢的方式獲取機械手的狀態。通過控制各個肢體級節點，多機械手能夠獨立地完成一級子任務，同時機械手之間也可以通過同步控制器完成狀態信息的交互，實現任務的并行執行。該設計將控制中心劃分給同步控制器節點，機械手在任務執行過程中擺脫了上位機的大部分干預，上位機更多的是起到監視記和錄的作用。工人節點在二級網絡中處于支配地位。它將接收到的一級子任務分解為二級子任務，使任務清單層層細化。同步控制器還兼具分支信息過濾的作用，降低了信息通道的通訊負荷。在任務的調度上，同步節點能根據節點的算法為相應的肢體級節點索引底層的二級子任務，為任務的調整和修改提供了獨立的空間。

圖1 CAN總線網絡樹狀結構示意圖

該設計將系統的控制功能徹底下放到現場，控制體間既有橫向的交互也有縱向的控制拓展。同時，控制的下移也代表著通信負荷的重新分配，使信息流向更趨合理。同步控制器的任務分配和信息傳輸具有一定的周期性，使控制器中預置控制程序的編寫和修改大大簡化，各機械手的動作流程和運行軌跡更加趨于模塊化，系統的靈活性和可靠性增強。

1.2 同步控制器硬件結構

節點采用圖2的通訊板連接，其芯片采用ARM的LPC11C14，CAN收發模塊選用CTM8251。LPC11C14包含片上C_CAN驅動的CAN控制器，作為節點間的通訊接口，具有CAN總線通訊能力，有效地支持了多機械手的實時控制。在各通訊節點的硬件結構上，中繼器和同步控制器結構相同，使硬件互換性提高，設備維護簡單易操作。

圖2 網橋/同步控制器硬件結構框圖

2 同步節點控制程序

同步控制器能夠對肢體級任務進行分解、協調和分配，負責狀態的監控及反饋，直通信息的傳遞等。所以同步控制器的兩個M0芯片分配有不同的功能，定義為：狀態芯片M0_1和任務芯片M0_2。狀態芯片主管運行狀態，儲存二級子任務的完成情況及其他相關狀態信息；任務芯片主管任務調度，二級子任務的決策及Flash存儲器的任務索引等，任務的增加、刪減及順序的修改都能在該節點實現。當一級子任務指令到達同步節點后，控制程序通過判斷狀態芯片內的狀態信息來索引任務芯片Flash中的清單任務，并經CTU（CAN To UART的縮寫）傳遞給執行機構，二級子任務完成后狀態芯片即改寫狀態變量，以供后續查詢。判斷狀態-索引任務-更改狀態三個階段循環執行，輔助完成一級子任務。

圖3 同步節點控制程序流程圖

同步控制器將整個網絡改造成分級遞階的結構，使智能體具有了一定的自主性。另外，片內存儲器的使用能夠起到掉電保護的作用，使系統能夠在斷電重啟后仍保持系統掉電前的工作狀態。

3 地址分配

系統在不同的運行模式下，任務指令和狀態信息所能到達的節點范圍不同，如在調試模式下，上位機可以將指令發送給網絡中的任意節點，而在正常運行模式下，同步節點可以向平行節點發送狀態信息或向子節點發送二級子任務。這就要求系統能夠在全局進行縱向和橫向的通訊，而CAN節點ID的配置則在其中起著關鍵作用。

考慮到所設置ID地址中要包含中繼器，同步控制器，CTU地址以及其他預留位信息，所占用的位數較多，所以使用29位ID地址的擴展幀較為合適。如表1所示。

表1 ID接收地址的分配表

對于CAN報文的接收過程，我們采用分層式的地址接收方式加方向位輔助配合。該方式整體分為三層，由上到下各層分別對應中繼器位、同步控制器位和CTU位?？v向發送信息時，接收地址層層遞進，每個節點只對比接收相應層級上的的相應地址位，中繼器即通過中繼器位的仲裁對接收的報文進行過濾，信息流在該層節點分流。同時，由于分層式地址接收方式只過濾本層級的地址位，同步節點可以只設置同步控制器位將報文約束在工人級的控制層，完成機械手間的橫向信息交互。

這種地址設置方式降低了統籌設計的復雜性，不需要反復的全局衡量和計算，ID和MASK設置較之前更加直觀簡單。相對集中的地址位設置使該種方式的ID配置與硬件的結合成為可能，如撥碼開關的使用等，能夠簡化通訊設備的安裝和更換，降低了操作人員的技術要求水平。

4 組合幀

從不同的運行模式看，8個字節的數據幀不能完全滿足單次數據傳輸的需要，特別是在調試模式下，上位機單次下發的數據甚至會超過20個字節，必須進行幀數據的組合傳輸。以上位機發送到續紗機器人下的CTU3節點為例，發送過程如表2和表3所示。

表2 ID配置

表3 組合幀發送過程

在傳輸過程中，CAN報文的接收是對擴展幀特定地址區域的仲裁，解決的是信息來源的問題，數據的去向則是由主程序配合完成。程序提取并檢查擴展幀中相鄰層級的地址位（向下發送時，則檢查下一級地址位；反之則檢查上一級地址位），決定是否繼續發送。

組合幀解決了長字節數據的傳輸問題，彌補了CAN報文8字節數據傳輸的缺陷，使長字節數據能夠順利到達目標節點。

5 結束語

本設計確定了并行任務控制系統分層式的總體設計架構，將部分控制功能配置給工人級節點，使機械手具有一定的自主性，實現了并行任務和串行任務的交叉控制，增強了系統的控制靈活性。文中提出基于CAN總線的樹狀網絡組網方案，采用分層式的地址分配方式，實現了分支信息的過濾及橫向信息的傳輸，同時，組合幀過程還解決了CAN報文數據空間不足的問題，實現了長字節數據在CAN總線中的傳輸?？刂葡到y設計促進了阿克明斯特地毯織造系統的自動化改造，使分布式控制技術更好的應用于紡織行業。

[1]劉橋,蔣梁中,謝存禧,國蓉.集散控制系統與現場總線控制系統[J].現代電子技術,2003(13):89-93.

[2]吳軍,徐昕,連傳強,賀漢根.協作多機器人系統研究進展綜述[J].智能系統學報,2011,6(1):13-27.

[3]石志國,王志良,劉冀偉.異構多機器人協作系統研究進展[J].智能系統學報,2009,4(5):377-391.

[4]馬斌奇.多機器人協作與控制策略研究[D].西安電子科技大學,2009.

[5]馮睿.基于蟻群算法的多機器人協作機制研究[D].西北大學,2011.

[6]劉金琨,王樹青.多智能體控制系統的設計與實現[J].控制理論與應用,1999,16(4):580-582.

[7]李忠奎,姚永輝,溫良,賈曉娣.CAN多主通訊技術在煤礦頂板監測系統中的應用[J].電子設計工程,2011,19(21):93-96.