本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種電機(jī)通用控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前，對(duì)于電機(jī)的控制，一般使用單片機(jī)+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如uC/OS II或者freeRTOS)或者應(yīng)用處理器(如ARM Cortex-A、X86)+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如linux+(RTLinux/RTAI/Xenomai)、VxWorks)的硬件模式，這樣可以保證控制的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)于不同的電機(jī)類(lèi)型，控制方式也千差萬(wàn)別，比如：

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線(xiàn)位移的電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)脈沖信號(hào)控制，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是一種伺服馬達(dá)。舵機(jī)需要通過(guò)固定周期的PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)信號(hào)控制。

直流電機(jī)通過(guò)閉環(huán)PID(Proportion Integration Differentiation，比例積分微分)控制。

由此可見(jiàn)，對(duì)于不同的電機(jī)，不同的微處理器，控制軟件也會(huì)不同。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如服務(wù)機(jī)器人、玩具機(jī)器人，對(duì)于精度要求比較低，而且通常會(huì)使用多種不同電機(jī)來(lái)控制。在這種情況下，如果都使用微處理器控制每種電機(jī)，不僅會(huì)使軟、硬件架構(gòu)都比較復(fù)雜，而且會(huì)增加研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、維護(hù)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種電機(jī)通用控制系統(tǒng)及方法，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，簡(jiǎn)化產(chǎn)品在需要多種電機(jī)的情況下的軟、硬件架構(gòu)。

為此，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種電機(jī)通用控制系統(tǒng)，所述電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)，所述系統(tǒng)包括：應(yīng)用層模塊、規(guī)劃層模塊、以及與被控對(duì)象不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的適配層模塊和驅(qū)動(dòng)層模塊；

所述應(yīng)用層模塊用于根據(jù)應(yīng)用需求，向所述規(guī)劃層模塊下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令；

所述規(guī)劃層模塊用于接收所述應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令，并對(duì)所述通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合；

所述適配層模塊用于根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合生成對(duì)應(yīng)電機(jī)的控制信息，并將所述控制信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)層模塊；

所述驅(qū)動(dòng)層模塊用于根據(jù)接收到的控制信息控制對(duì)應(yīng)電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述通用運(yùn)動(dòng)指令包括以下任意一種或多種：?jiǎn)⑼Ｖ噶?、點(diǎn)位指令、直線(xiàn)指令、圓弧指令、動(dòng)作文件指令、調(diào)速指令。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：接口層模塊，用于提供不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)應(yīng)的接口；

所述應(yīng)用層模塊利用所述接口層模塊提供的接口向所述規(guī)劃層模塊下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令。

優(yōu)選地，所述接口層模塊提供的接口包括以下任意一種或多種：C接口、C++接口、Java接口。

優(yōu)選地，所述規(guī)劃層模塊包括：

規(guī)劃接口單元、指令解析單元、狀態(tài)處理單元、核心處理單元、輸出單元；

所述規(guī)劃接口單元，用于接收所述應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令；

所述狀態(tài)處理單元，用于獲取被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)；

所述指令解析單元，用于解析所述通用運(yùn)動(dòng)指令，獲得指令類(lèi)型及指令數(shù)據(jù)；

所述核心處理單元，用于根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合；

所述輸出單元，用于將所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合傳送給各適配層。

優(yōu)選地，所述核心處理單元具體用于根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)處理，得到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)，將所述運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合。

優(yōu)選地，所述電機(jī)包括以下任意一種或多種：直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

一種電機(jī)通用控制方法，所述電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)，所述方法包括：

接收通用運(yùn)動(dòng)指令；

對(duì)所述通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，并結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合；

由電機(jī)適配層模塊根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合生成對(duì)應(yīng)所述電機(jī)的控制信息；

由電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊根據(jù)所述控制信息控制所述電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述通用運(yùn)動(dòng)指令包括以下任意一種或多種：?jiǎn)⑼Ｖ噶?、點(diǎn)位指令、直線(xiàn)指令、圓弧指令、動(dòng)作文件指令、調(diào)速指令。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

提供對(duì)應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境的接口；

所述接收通用運(yùn)動(dòng)指令包括：利用所述接口接收所述通用運(yùn)動(dòng)指令。

優(yōu)選地，所述接口包括以下任意一種或多種：C接口、C++接口、Java接口。

優(yōu)選地，所述對(duì)所述通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，并結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合包括：

解析所述通用運(yùn)動(dòng)指令，獲得指令類(lèi)型及指令數(shù)據(jù)；

獲取被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)；

根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)處理，得到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)；

將所述運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合。

優(yōu)選地，所述電機(jī)包括以下任意一種或多種：直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電機(jī)通用控制系統(tǒng)及方法，采用分層架構(gòu)，上層模塊不用關(guān)注底層具體是什么電機(jī)，大大增加了系統(tǒng)的通用性，通過(guò)軟、件硬的配合，可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，降低研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、維護(hù)成本。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例電機(jī)通用控制系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例電機(jī)通用控制系統(tǒng)中規(guī)劃層模塊的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的原理圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中通過(guò)非細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的原理圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例電機(jī)通用控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例的方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于不同的電機(jī)，不同的微處理器，采用不同的控制軟件，從而使得軟、硬件架構(gòu)都比較復(fù)雜的問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種實(shí)施例電機(jī)通用控制系統(tǒng)及方法，采用分層方式的軟、硬件架構(gòu)，使其更具通用性，提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比，以更好地適應(yīng)普通家庭場(chǎng)景、以及普通消費(fèi)類(lèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的需求。

如圖1所示，是本發(fā)明實(shí)施例電機(jī)通用控制系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

在該實(shí)施例中，所述系統(tǒng)采用不同層次的模塊，以驅(qū)動(dòng)一種或多種不同電機(jī)，圖1中示出了三種不同的電機(jī)，分別為：直流電機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，這些電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式，選用相應(yīng)的電機(jī)，具體需要一種還是多種電機(jī)，根據(jù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)需求來(lái)確定，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。該電機(jī)通用控制系統(tǒng)包括：應(yīng)用層模塊、規(guī)劃層模塊、以及與被控對(duì)象不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的適配層模塊和驅(qū)動(dòng)層模塊，如圖1中所示，與直流電機(jī)對(duì)應(yīng)的是直流電機(jī)適配層模塊和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊，與舵機(jī)對(duì)應(yīng)的是舵機(jī)適配層模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊，與步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)的是步進(jìn)電機(jī)適配層模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊。

下面對(duì)上述各模塊及該系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

上述應(yīng)用層模塊用于根據(jù)應(yīng)用需求，向所述規(guī)劃層模塊下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令，比如啟停指令、點(diǎn)位指令、直線(xiàn)指令、圓弧指令、動(dòng)作文件指令、調(diào)速指令等；

上述規(guī)劃層模塊用于接收所述應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令，并對(duì)所述通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合，比如具體可以是各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合；

上述適配層模塊用于根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合生成對(duì)應(yīng)電機(jī)的控制信息，并將所述控制信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)層模塊；具體地，可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的電機(jī)類(lèi)型做控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，比如，對(duì)于直流電機(jī)，可以將相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合轉(zhuǎn)換成絕對(duì)位置信息；對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，則需要將相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合轉(zhuǎn)換為相對(duì)位置與方向信息等；

上述驅(qū)動(dòng)層模塊用于根據(jù)接收到的控制信息控制對(duì)應(yīng)電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。

需要說(shuō)明的是，為了便于不同應(yīng)用環(huán)境下的規(guī)劃層模塊都能夠方便地接收應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令，在本發(fā)明系統(tǒng)中，還可進(jìn)一步包括：接口層模塊，用于提供不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)應(yīng)的接口，比如所述接口可以包括以下任意一種或多種：C接口、C++接口、Java接口。這樣，所述應(yīng)用層模塊就可以調(diào)用所述接口層模塊提供的接口向所述規(guī)劃層模塊下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令，進(jìn)一步增加了本發(fā)明系統(tǒng)對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。

另外，在實(shí)際應(yīng)用中，上述各模塊可以由AP(Application Processor，應(yīng)用處理器)芯片(如ARM Cortex-A處理器)及相應(yīng)的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述應(yīng)用程序可以是在普通Linux系統(tǒng)、或者Android系統(tǒng)、或者Windows系統(tǒng)下運(yùn)行。另外，上述應(yīng)用層模塊、接口層模塊及規(guī)劃層模塊不用關(guān)注底層具體是什么電機(jī)；適配層模塊呈上啟下，生成對(duì)應(yīng)電機(jī)的控制信息；驅(qū)動(dòng)層模塊根據(jù)所述控制信息直接控制相應(yīng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

上述規(guī)劃層模塊需要對(duì)應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，并結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合，圖2示出了規(guī)劃層模塊的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

所述規(guī)劃層模塊包括以下各單元：規(guī)劃接口單元、指令解析單元、狀態(tài)處理單元、核心處理單元、輸出單元；

所述規(guī)劃接口單元，用于接收所述應(yīng)用層模塊下發(fā)的通用運(yùn)動(dòng)指令；

所述指令解析單元，用于解析所述通用運(yùn)動(dòng)指令，獲得指令類(lèi)型及指令數(shù)據(jù)；

所述狀態(tài)處理單元，用于獲取被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)；

所述核心處理單元，用于根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合；

所述輸出單元，用于將所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合傳送給各適配層。

上述核心處理單元主要用于進(jìn)行一些計(jì)算工作，比如根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)處理，得到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)，將所述運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合，這些計(jì)算及處理工作可以采用現(xiàn)有的一些算法來(lái)完成，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。

需要說(shuō)明的是，在規(guī)劃層模塊支持多進(jìn)程工作的情況下，所述規(guī)劃層模塊還可進(jìn)一步包括任務(wù)管理單元，即對(duì)指令解析單元解析得到的多個(gè)指令解析結(jié)果，分配到不同的進(jìn)程進(jìn)行處理，任務(wù)管理單元對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一分配及管理。另外，核心處理單元進(jìn)行路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)處理等工作可以由其獨(dú)立完成，也可以通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的處理單元來(lái)完成，對(duì)此本發(fā)明實(shí)施例不做限定。

下面針對(duì)不同電機(jī)，詳細(xì)說(shuō)明對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層模塊對(duì)電機(jī)的控制方式。

1.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊：

所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊在具體應(yīng)用中可以采用AP芯片(如ARM Cortex-A)加直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC(Integrated Circuit，集成電路)芯片的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC芯片即圖中所示的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

(1)硬件連接上需要掛一個(gè)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，通過(guò)GPIO模擬PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)輸出模式控制驅(qū)動(dòng)IC的相應(yīng)引腳，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC再向直流有刷電機(jī)輸出PWM信號(hào)。

(2)直流電機(jī)不同于步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)，電路中需要反饋元件，以反饋當(dāng)前電機(jī)所在的位置。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只要不失步，用戶(hù)發(fā)多少脈沖，步進(jìn)電機(jī)就走多少步，可以做到開(kāi)環(huán)控制；舵機(jī)是根據(jù)控制信號(hào)的占空比來(lái)決定自身運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位置，到目標(biāo)位置自己就會(huì)停下來(lái)。由于AP芯片一般沒(méi)有正交編碼器計(jì)數(shù)器單元，因此難以使用高精度的正交編碼器計(jì)數(shù)，但是AP芯片一般有ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)采樣單元，因此，如圖3中所示，可以使用VR(Variable Resistor，可變電阻器)作為位置反饋元件。

(3)采用PID(比例-積分-微分)控制算法，每個(gè)控制周期(如10ms)根據(jù)目標(biāo)位置與根據(jù)VR反饋計(jì)算的當(dāng)前位置差，通過(guò)PID算法計(jì)算出PWM新的占空比輸出。

調(diào)度誤差分析：操作系統(tǒng)調(diào)度延遲一般都不會(huì)超過(guò)1ms(支持高精度定時(shí)器的操作系統(tǒng)調(diào)度誤差一般在50us左右)，這樣的延遲對(duì)于整體PID控制來(lái)說(shuō)影響不大，這樣就可以在一定精度范圍內(nèi)控制直流電機(jī)。

2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊

所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊可以采用AP芯片(如ARM Cortex-A)，對(duì)于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器(細(xì)分是指驅(qū)動(dòng)器將非細(xì)分驅(qū)動(dòng)器接收到1個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)走1整步，調(diào)整為細(xì)分驅(qū)動(dòng)器接收1個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)走1個(gè)微步，提高控制精度的同時(shí)，也改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲)，可以由AP芯片發(fā)送脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，再由步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的輸出連接步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)，連接示意圖見(jiàn)圖4，其中DIR信號(hào)用于控制細(xì)分驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；對(duì)于非細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，可以直接用AP芯片的GPIO(General Purpose Input Output，通用輸入/輸出)接口連接步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁線(xiàn)，連接示意圖見(jiàn)圖5。

考慮到AP芯片的運(yùn)行環(huán)境大都是Android、Linux、Windows、IOS等，即非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)度會(huì)有us甚至ms級(jí)誤差。而且，AP芯片一般不具備正交編碼器計(jì)數(shù)器等硬件單元；而使用軟件定時(shí)器又會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)非常重的負(fù)擔(dān)。因此，針對(duì)這些問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提出了相應(yīng)的解決方案。

針對(duì)步進(jìn)電機(jī)使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的情況，可以采用以下措施：

(1)不使用定時(shí)器生成脈沖，采用GPIO的PWM工作模式。

(2)假設(shè)系統(tǒng)支持設(shè)置PWM個(gè)數(shù)控制，且系統(tǒng)調(diào)度誤差很小，如幾十個(gè)微秒級(jí)別，那么通過(guò)周期改變PWM波個(gè)數(shù)控制更準(zhǔn)確；如果系統(tǒng)調(diào)度誤差有幾百微秒甚至毫秒，或者系統(tǒng)就不支持PWM個(gè)數(shù)控制，則采用周期更改PWM輸出頻率，不指定個(gè)數(shù)，以避免調(diào)度誤差導(dǎo)致一定時(shí)間內(nèi)無(wú)PWM波。比如控制周期是10ms，第一個(gè)周期希望發(fā)30個(gè)PWM波，第二個(gè)周期希望發(fā)35個(gè)PWM波，但是由于調(diào)度誤差，如果第二個(gè)周期晚來(lái)了1ms，那么就意味著有1ms時(shí)間是沒(méi)有任何PWM輸出的，有可能導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)。

使用PWM波時(shí)，考慮到有的運(yùn)行環(huán)境支持設(shè)置指定PWM波個(gè)數(shù)，有的運(yùn)行環(huán)境不支持設(shè)置指定PWM個(gè)數(shù)。因此，可以采用以下處理方式：

如果運(yùn)行環(huán)境支持設(shè)置PWM波個(gè)數(shù)，并且調(diào)度誤差在幾十微秒級(jí)別，可以每個(gè)周期更改PWM信號(hào)的頻率與個(gè)數(shù)。根據(jù)每個(gè)周期的目標(biāo)位置與當(dāng)前位置計(jì)算目標(biāo)位置差，可以計(jì)算出應(yīng)該讓步進(jìn)電機(jī)走幾步，即發(fā)幾個(gè)脈沖，但是步進(jìn)電機(jī)每一步是要走一定角度的，大多時(shí)候計(jì)算步長(zhǎng)都不是一個(gè)整數(shù)，而是有小數(shù)的。針對(duì)這種情況，可以采用四舍五入的方法，計(jì)算發(fā)出這么多個(gè)波后電機(jī)理論到達(dá)的位置，為下一個(gè)周期計(jì)算做準(zhǔn)備。這種方式在調(diào)度誤差平穩(wěn)且在幾十微秒時(shí)，誤差很小。

如果系統(tǒng)調(diào)度誤差不能保證，或者運(yùn)行環(huán)境不支持設(shè)置PWM波個(gè)數(shù)時(shí)，那么可以不關(guān)注每個(gè)周期PWM波的個(gè)數(shù)，只關(guān)注PWM波的頻率。這樣勻速階段PWM信號(hào)頻率不變，不會(huì)因?yàn)檎{(diào)度原因產(chǎn)生任何誤差；在加減速階段有可能出現(xiàn)誤差。但是一次運(yùn)動(dòng)，一般總是先加速，再勻速，再減速，如先從0度走到90度，加速階段，如果系統(tǒng)調(diào)度總是提前到來(lái)，那么低速運(yùn)動(dòng)時(shí)間被減少，加速階段會(huì)多走路程；減速階段，如果系統(tǒng)調(diào)度仍然還是提前到來(lái)，那么高速運(yùn)動(dòng)時(shí)間被減速，最終少走路程，這樣加速多走，減速少走，總的來(lái)看誤差是有抵消的。當(dāng)然，操作系統(tǒng)調(diào)度誤差一般不可能總是提前或者滯后，一般情況下應(yīng)該服從正態(tài)分布，這樣加速階段可能有多走的周期，也可能有少走的周期，總的誤差也有抵消。另外，即使每次運(yùn)動(dòng)都是多走和少走也不會(huì)累計(jì)，因?yàn)榉聪蜻\(yùn)動(dòng)的時(shí)候，誤差就可以部分或者全部抵消。同時(shí)，在這種情況下，也不用每個(gè)周期去調(diào)整PWM信號(hào)的頻率，只有當(dāng)前PWM信號(hào)與目標(biāo)PWM信號(hào)的頻率不同的時(shí)候才需要調(diào)節(jié)，這樣也減少了調(diào)整PWM信號(hào)頻率的時(shí)間和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

由于常用操作系統(tǒng)(如Linux、Android、Windows)都不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制一般都是周期控制，控制周期從工業(yè)級(jí)us級(jí)別到消費(fèi)品ms級(jí)別不等。為了避免N個(gè)周期后，N次調(diào)度誤差累積，每次定時(shí)，可以基于第一次定時(shí)基準(zhǔn)時(shí)間，而不是基于上一次觸發(fā)時(shí)間，這樣可以避免調(diào)度誤差累積。而一次的調(diào)度誤差引入的影響，也僅在加減速時(shí)有影響，影響大小與加速度和調(diào)度時(shí)間差乘積成正比。比如加速度是300deg/s²，控制周期是10ms，第m個(gè)周期速度是100deg/s，第m+1個(gè)周期速度是103deg/s，如果沒(méi)有調(diào)度誤差，那么m周期應(yīng)該走1.0deg(100deg/s*10ms)，m+1周期應(yīng)該走1.03deg(103deg/s*10ms/1000)，m和m+1兩個(gè)周期共走2.03deg。如果m+1次調(diào)度晚了0.5ms，m+2次調(diào)度正好，那么m周期實(shí)際走了1.05deg(100deg/s*10.5ms/1000)，m+1周期實(shí)際走了0.9785deg(103deg/s*9.5ms/1000)，實(shí)際兩個(gè)周期共走2.0285deg，相差0.0015deg，而0.0015deg＝300deg/s²*10ms*0.5ms/1000000。

3.舵機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊：

舵機(jī)需要通過(guò)固定周期的PWM信號(hào)控制，在實(shí)際應(yīng)用中，所述舵機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊同樣可以采用AP芯片(如ARM Cortex-A)。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于舵機(jī)的控制，同樣存在與步進(jìn)電機(jī)類(lèi)似的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，對(duì)此，可以采用如下策略：

1.由于舵機(jī)的絕對(duì)位置與PWM占空比成比例關(guān)系，舵機(jī)控制一般需要一個(gè)周期為20ms的脈沖，該脈沖的高電平部分一般在0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)，那么可以算出控制脈沖占空比調(diào)節(jié)范圍在2.5％-12.5％之間。如果AP芯片的PWM驅(qū)動(dòng)僅支持設(shè)置整數(shù)PWM占空比，那么此時(shí)可以采用定時(shí)器模式，根據(jù)占空比，定時(shí)將GPIO拉高和拉低，畢竟舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20ms的PWM信號(hào)，定時(shí)器模擬生成開(kāi)銷(xiāo)很小。如果AP芯片的PWM驅(qū)動(dòng)支持設(shè)置帶小數(shù)的PWM占空比，則推薦使用GPIO的PWM模式。

調(diào)度誤差分析：操作系統(tǒng)調(diào)度延遲一般都不會(huì)超過(guò)1ms(支持高精度定時(shí)器的操作系統(tǒng)調(diào)度誤差一般在50us左右)這樣的延遲對(duì)于舵機(jī)控制來(lái)說(shuō)，基本沒(méi)有什么影響，也不會(huì)最終影響舵機(jī)位置。

下面以6個(gè)自由度機(jī)器手臂運(yùn)動(dòng)舉例，結(jié)合上述不同電機(jī)的控制方式，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明系統(tǒng)的工作過(guò)程。

所謂自由度是指自由運(yùn)動(dòng)空間的維數(shù)，自由度的個(gè)數(shù)是指用于計(jì)算某個(gè)特征數(shù)(比如樣本期望或樣本方差)的獨(dú)立觀察值的個(gè)數(shù)。在機(jī)器人領(lǐng)域，一般一個(gè)關(guān)節(jié)就是一個(gè)自由度。

如果需要機(jī)器人手指畫(huà)一條長(zhǎng)100mm的直線(xiàn)，那么應(yīng)用層模塊下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令到規(guī)劃層模塊，所述通用運(yùn)動(dòng)指令是指不考慮底層電機(jī)的類(lèi)型及具體的被控對(duì)象；規(guī)劃接口單元接收到所述通用運(yùn)動(dòng)指令后，傳送給指令解析單元對(duì)該指令進(jìn)行解析，核心處理單元根據(jù)指令解析單元的解析結(jié)果并結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合，傳送給各適配層模塊。

需要說(shuō)明的是，通用運(yùn)動(dòng)指令封裝形式可以有很多種，如普通tag-value字符串，json字符串，接口參數(shù)等；指令內(nèi)容需要包括坐標(biāo)系信息、位置、速度、加速度等必要的運(yùn)動(dòng)控制信息；如這條直線(xiàn)是水平的，與x方向重合，以增量指令下發(fā)，則可以指定世界坐標(biāo)系下增量指令類(lèi)型是100，那么這條指令類(lèi)型就是100，同時(shí)世界坐標(biāo)一般有6個(gè)值(x,y,z,a,b,c)其中x，y，z決定位置信息，a，b，c決定姿態(tài)信息，那么這條指令的增量位姿信息就是(100,0,0,0,0,0)。

規(guī)劃層收到上述通用運(yùn)動(dòng)指令后，會(huì)首先根據(jù)當(dāng)前機(jī)械臂位置與姿態(tài)，計(jì)算用戶(hù)想讓機(jī)械臂到達(dá)的目標(biāo)位置，然后判斷是否在機(jī)械臂工作空間內(nèi)；如果確認(rèn)可以，則進(jìn)行軌跡規(guī)劃，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，計(jì)算出機(jī)械臂6個(gè)關(guān)節(jié)每個(gè)的目標(biāo)值；然后對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)值進(jìn)行插值算法，以輸出位置、速度、加速度連續(xù)變化的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，方便電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。需要說(shuō)明的是，規(guī)劃層模塊做軌跡點(diǎn)的理論計(jì)算時(shí)，不考慮具體電機(jī)類(lèi)型，與不同電機(jī)對(duì)應(yīng)的適配層模塊從規(guī)劃層模塊計(jì)算得到的數(shù)據(jù)中提取和轉(zhuǎn)換自己需要的數(shù)據(jù)。

所述核心處理單元主要是根據(jù)指令類(lèi)型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)安全和障礙判斷，進(jìn)而對(duì)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，將插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解，算出各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)可以采用軟硬件相結(jié)合的控制方式，通過(guò)AP芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)位置的通用控制(一般系統(tǒng)中只用一種電機(jī)，當(dāng)然也可以支持多種電機(jī))。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電機(jī)通用控制系統(tǒng)，采用分層架構(gòu)，上層模塊不用關(guān)注底層具體是什么電機(jī)，大大增加了系統(tǒng)的通用性，通過(guò)軟、件硬的配合，可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，降低研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、維護(hù)成本。

相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種電機(jī)通用控制方法，如圖6所示，是該方法的一種流程圖，包括以下步驟：

步驟601，接收通用運(yùn)動(dòng)指令；

步驟602，對(duì)所述通用運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行解析，并結(jié)合被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合；

具體地，解析所述通用運(yùn)動(dòng)指令，獲得指令類(lèi)型及指令數(shù)據(jù)；獲取被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)；然后根據(jù)所述指令類(lèi)型、指令數(shù)據(jù)、以及被控對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)處理，得到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)；最后將所述運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)序列點(diǎn)集合；

步驟603，由電機(jī)適配層模塊根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集合生成對(duì)應(yīng)所述電機(jī)的控制信息；

步驟604，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)層模塊根據(jù)所述控制信息控制所述電機(jī)工作，以使所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)。

對(duì)不同電機(jī)的控制過(guò)程可以參照前面本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例中的說(shuō)明，在此不再贅述。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述通用運(yùn)動(dòng)指令可以不考慮底層電機(jī)的類(lèi)型及控制方式，只需提供針對(duì)被控對(duì)象的啟停、點(diǎn)位、直線(xiàn)、圓弧、動(dòng)作文件、調(diào)速、控制等信息即可。

另外，為了方便本發(fā)明方法在不同的環(huán)境下的適應(yīng)性，本發(fā)明方法另一實(shí)施例還可進(jìn)一步提供針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境的接口，這樣，應(yīng)用層下發(fā)通用運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，只需調(diào)用與應(yīng)用環(huán)境相適配的接口即可完成指令的下發(fā)。所述接口包括以下任意一種或多種：C接口、C++接口、Java接口等。

本發(fā)明實(shí)施例的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)的位置控制，可以應(yīng)用于由單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的被控對(duì)象，當(dāng)然也可以應(yīng)用于由多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的被控對(duì)象。

本發(fā)明實(shí)施例提供的電機(jī)通用控制方法，采用分層架構(gòu)，上層模塊不用關(guān)注底層具體是什么電機(jī)，大大增加了系統(tǒng)的通用性，通過(guò)軟、件硬的配合，可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，降低研發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、維護(hù)成本。

本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各實(shí)施例相關(guān)之處可以參見(jiàn)其它實(shí)施例的相關(guān)部分說(shuō)明即可。

以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及系統(tǒng)；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。