本發(fā)明涉及機(jī)器人分布式控制領(lǐng)域，特別涉及到一種基于ros系統(tǒng)的ethercat主從站通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

機(jī)器人操作系統(tǒng)ros，即robotoperatingsystem，是一個(gè)開源操作系統(tǒng)，開源以及分布式運(yùn)作的特點(diǎn)使ros得到了廣泛的應(yīng)用。ros系統(tǒng)提供硬件的抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序的管理、程序節(jié)點(diǎn)間消息傳遞的機(jī)制、程序軟件發(fā)行包的管理等功能。ros通信是以節(jié)點(diǎn)為單位并且采用基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信模式。機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)從工業(yè)領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到非工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的控制也逐漸向分布式架構(gòu)發(fā)展，這就需要一個(gè)更快、更可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。ethercat即ethernetcontrolautomationtechnology，以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制通信方式，充分利用以太網(wǎng)全雙工處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的高速性和高度實(shí)時(shí)性。

現(xiàn)有的基于ros的網(wǎng)絡(luò)化控制，存在高延時(shí)性的技術(shù)問(wèn)題。因此，提供一種高速、實(shí)時(shí)性、低成本、拓?fù)潇`活、配制簡(jiǎn)單、兼容性的ethercat主從站系統(tǒng)通信系統(tǒng)就很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有技術(shù)中存在的延時(shí)性高的問(wèn)題。提供一種新的基于ros系統(tǒng)的ethercat主從站通信系統(tǒng)，該基于ros系統(tǒng)的ethercat主從站通信系統(tǒng)具有擴(kuò)大了非ros傳感器設(shè)備的需求、實(shí)時(shí)性及高效性的特點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用的技術(shù)方案如下：

一種基于ros系統(tǒng)的ethercat主從站通信系統(tǒng)，所述ethercat主從站通信系統(tǒng)包括ethercat主站系統(tǒng)及ethercat從站系統(tǒng)；所述ethercat主站系統(tǒng)包括集成以太網(wǎng)接口的pc機(jī)，所述pc機(jī)設(shè)有ros操作系統(tǒng)包括軟主站soem，所述軟主站soem支持ethercat協(xié)議函數(shù)接口；所述的ethercat從站系統(tǒng)包括控制器及微處理器，所述控制器及微處理器通過(guò)spi連接，所述控制器及微處理器外圍均包括數(shù)據(jù)處理電路及傳輸電路；所述ethercat主從站通信系統(tǒng)還包括兩臺(tái)ros客戶機(jī)，所述ros客戶機(jī)包括ros操作系統(tǒng)。

本發(fā)明的工作原理：ethercat以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用主從模式介質(zhì)訪問(wèn)控制通信方式，充分利用以太網(wǎng)全雙工處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的高速性和高度實(shí)時(shí)性。ethercat主站系統(tǒng)在ros系統(tǒng)下，建立一個(gè)消息節(jié)點(diǎn)程序用于處理ethercat從站系統(tǒng)與ethercat主站系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)。將ros系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通信時(shí)需要的數(shù)據(jù)類型。通過(guò)主站軟件soem提供的接口函數(shù)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為ethercat通信時(shí)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到ethercat從站系統(tǒng)去提取。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)越來(lái)越大的需求，本發(fā)明通過(guò)路由器接入兩臺(tái)ros客戶機(jī)。

上述技術(shù)方案中，為優(yōu)化，進(jìn)一步地，所述ethercat主站系統(tǒng)采用基于linux系統(tǒng)的開源soem作為軟主站，所述軟主站用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)內(nèi)核、調(diào)度管理及邏輯空間映射。

進(jìn)一步地，所述軟主站soem包含作為用戶層的用戶應(yīng)用程序；作為內(nèi)核層的主站soem模塊，與主站soem模塊連接的程序接口模塊、與程序接口模塊連接的網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊；作為網(wǎng)卡硬件的受網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)卡芯片；所述內(nèi)核層與所述ros操作系統(tǒng)連接；所述應(yīng)用程序接口模塊包括字符設(shè)備接口、網(wǎng)卡設(shè)備接口；所述字符設(shè)備接口與用戶應(yīng)用程序連接，所述網(wǎng)卡設(shè)備接口與網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊連接。

進(jìn)一步地，所述控制器為控制器et1100，所述控制器et1100包括i2c總線，所述控制器et1100具有eeprom訪問(wèn)功能；所述控制器et1100通過(guò)mii接口連接網(wǎng)卡芯片。

進(jìn)一步地，所述控制器et1100通過(guò)ebus接口連接網(wǎng)卡芯片。

進(jìn)一步地，所述微處理器為微處理器stm32。

進(jìn)一步地，所述ros操作系統(tǒng)執(zhí)行的步驟包括建立ros消息節(jié)點(diǎn)，用于處理ethercat主站系統(tǒng)與ethercat從站系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)，將ros操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成通信數(shù)據(jù)類型。

進(jìn)一步地，所述消息節(jié)點(diǎn)將主題數(shù)據(jù)類型為std_msgs/uint8轉(zhuǎn)換為uint8_t，所述主題數(shù)據(jù)類型std_msgs/uint8通過(guò)命令行工具查看。

進(jìn)一步地，所述微處理器smt32擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理電路及傳輸電路包括usb轉(zhuǎn)串口、數(shù)據(jù)傳輸接口功能以及外部功能設(shè)備。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)的需求，接入了兩臺(tái)ros客戶機(jī)，ros客戶機(jī)同樣裝有ros操作系統(tǒng)。ethercat主站系統(tǒng)不斷給ethercat從站系統(tǒng)發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)，保證ethercat從站系統(tǒng)始終處于運(yùn)行的狀態(tài)。輸入輸出數(shù)據(jù)放在過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象，過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象經(jīng)過(guò)層層對(duì)象映射封裝成數(shù)據(jù)報(bào)文插入到ethercat以太網(wǎng)幀內(nèi)。ethercat以太網(wǎng)幀通過(guò)ethercat總線傳輸?shù)絜thercat從站系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)ros客戶機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，需要對(duì)ros主機(jī)與客戶機(jī)進(jìn)行配置。通過(guò)roscore指令啟動(dòng)ros服務(wù)器，查看啟動(dòng)端口，ros客戶機(jī)在～/.bashrc文件中找到ros_master_url項(xiàng)并賦值實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置。微處理器stm32擴(kuò)展了usb轉(zhuǎn)串口、數(shù)據(jù)傳輸接口功能以及外部功能設(shè)備。esc與微處理器之間的過(guò)程數(shù)據(jù)接口pdi接口有兩種，一種為簡(jiǎn)單的i/o接口，另外一種為dpram接口。dpram接口又分為串行方式和并行方式，本實(shí)例選擇串行接口spi方式。

本發(fā)明的有益效果：

效果一，本發(fā)明通過(guò)消息節(jié)點(diǎn)將非ros設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所需數(shù)據(jù)類型，擴(kuò)大了非ros傳感器設(shè)備的需求。

效果二，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)將ros設(shè)備和非ros設(shè)備通過(guò)ethercat總線連接，擴(kuò)大了系統(tǒng)接入設(shè)備的數(shù)量與范圍。

效果三，本發(fā)明利用ethercat總線模式的特點(diǎn)提高了設(shè)備間通信的實(shí)時(shí)性與高效性。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1，ethercat主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2，消息節(jié)點(diǎn)的程序流程圖；

圖3，ethercat從站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4，系統(tǒng)通信過(guò)程架構(gòu)示意圖；

圖5，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施提供一種基于ros系統(tǒng)的ethercat主從站通信系統(tǒng)，所述ethercat主ethercat從站系統(tǒng)通信系統(tǒng)包括ethercat主站系統(tǒng)及ethercat從站系統(tǒng)；

所述ethercat主站系統(tǒng)如圖1，包括集成以太網(wǎng)接口的pc機(jī)，所述pc機(jī)設(shè)有ros操作系統(tǒng)包括軟主站soem，所述軟主站soem支持ethercat協(xié)議函數(shù)接口；

所述的ethercat從站系統(tǒng)如圖3，包括控制器及微處理器，所述控制器及微處理器通過(guò)spi連接，所述控制器及微處理器外圍均包括數(shù)據(jù)處理電路及傳輸電路；

所述ethercat主從站通信系統(tǒng)還包括兩臺(tái)ros客戶機(jī)，所述ros客戶機(jī)包括ros操作系統(tǒng)。

具體地，所述ethercat主站系統(tǒng)采用基于linux系統(tǒng)的開源soem作為軟主站，所述軟主站用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)內(nèi)核、調(diào)度管理及邏輯空間映射。

具體地，如圖1，所述軟主站soem包含作為用戶層的用戶應(yīng)用程序；作為內(nèi)核層的主站soem模塊，與主站soem模塊連接的程序接口模塊、與程序接口模塊連接的網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊；作為網(wǎng)卡硬件的受網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)卡芯片；所述內(nèi)核層與所述ros操作系統(tǒng)連接；所述應(yīng)用程序接口模塊包括字符設(shè)備接口、網(wǎng)卡設(shè)備接口；所述字符設(shè)備接口與用戶應(yīng)用程序連接，所述網(wǎng)卡設(shè)備接口與網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊連接。

ethercat主站系統(tǒng)軟主站soem提供ethercat通信函數(shù)接口。ethercat通信函數(shù)接口應(yīng)用程序定義一個(gè)緩沖區(qū)，通過(guò)ec_config_map函數(shù)對(duì)該緩沖區(qū)進(jìn)行初始化，內(nèi)部過(guò)程是將ethercat從站系統(tǒng)i/o的值實(shí)時(shí)映射到該緩沖區(qū)中。因此，應(yīng)用程序通過(guò)修改緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的變量即可改變ethercat從站系統(tǒng)i/o端口的值。

進(jìn)一步地，所述控制器為控制器et1100，所述控制器et1100包括i2c總線，所述控制器et1100具有eeprom訪問(wèn)功能。i2c總線與eeprom連接。

控制器et1100兩種接口方式：ebus和mii，通過(guò)mii接口或ebus接口與網(wǎng)卡芯片相連，提供et1100芯片與網(wǎng)卡芯片之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)卡芯片包括phy1及phyo。網(wǎng)卡芯片通過(guò)變壓器與rj45口連接。

具體地，所述微處理器為stm32。微處理器stm32擴(kuò)展了usb轉(zhuǎn)串口、數(shù)據(jù)傳輸接口功能以及外部功能設(shè)備，外部功能設(shè)備包括晶振、傳感器及i/o設(shè)備?？刂破髋c微處理器之間的過(guò)程數(shù)據(jù)接口pdi接口有兩種，一種為簡(jiǎn)單的i/o接口，另外一種為dpram接口。dpram接口又分為串行方式和并行方式，本實(shí)例選擇串行接口spi方式。

具體地，所述ros操作系統(tǒng)執(zhí)行的步驟包括建立ros消息節(jié)點(diǎn)，用于處理ethercat主站系統(tǒng)與ethercat從站系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)，將ros操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成通信數(shù)據(jù)類型。消息節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖2所示，包括初始化節(jié)點(diǎn)，通過(guò)發(fā)布主題進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，后將數(shù)據(jù)包封裝到以太網(wǎng)幀，啟動(dòng)ethercat從站系統(tǒng)讀取i/o數(shù)據(jù)。所述消息節(jié)點(diǎn)將主題數(shù)據(jù)類型為std_msgs/uint8轉(zhuǎn)換為uint8_t，所述主題數(shù)據(jù)類型std_msgs/uint8通過(guò)命令行工具查看。同時(shí)，ethercat主站系統(tǒng)不斷給ethercat從站系統(tǒng)發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)，保證ethercat從站系統(tǒng)始終處于operational狀態(tài)，即運(yùn)行狀態(tài)。輸入輸出數(shù)據(jù)放在過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象pdo，過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象pdo經(jīng)過(guò)層層對(duì)象映射封裝成數(shù)據(jù)報(bào)文插入到ethercat以太網(wǎng)幀內(nèi)。ethercat以太網(wǎng)幀再通過(guò)ethercat總線傳輸?shù)絜thercat從站系統(tǒng)。

ethercat從站系統(tǒng)從接收到的幀結(jié)構(gòu)中提取出與自己尋址相符的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。ethercat從站系統(tǒng)到主站的通信過(guò)程順序逆向。區(qū)別在于ethercat從站系統(tǒng)將自己的反饋數(shù)據(jù)插入到ethercat以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中，通過(guò)ethercat總線發(fā)送回主站。ethercat主從站通信系統(tǒng)的通信過(guò)程架構(gòu)如圖4所示，包括ethercat主站系統(tǒng)接收到ros客戶機(jī)的從ros服務(wù)器傳來(lái)的信息后，通過(guò)消息節(jié)點(diǎn)程序?qū)⒅黝}數(shù)據(jù)類型為std_msgs/uint8轉(zhuǎn)換為uint8_t，通過(guò)soem軟主站驅(qū)動(dòng)ethercat從站系統(tǒng)，控制器將根據(jù)uint8_t格式的命令控制傳感器或i/o設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)ros客戶機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，需要對(duì)ros主機(jī)與客戶機(jī)進(jìn)行配置。通過(guò)roscore指令啟動(dòng)ros服務(wù)器，查看啟動(dòng)端口，ros客戶機(jī)在～/.bashrc文件中找到ros_master_url項(xiàng)并賦值實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置。整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示，包括2個(gè)ros客戶機(jī)，2個(gè)ros客戶機(jī)通過(guò)路由器及交換機(jī)與ethercat主站系統(tǒng)，進(jìn)而與ethercat從站系統(tǒng)連接。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，只要各種變化只要在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。