.,..吉林大学硕士学位论文.,,,.,.创建流式套接字调用建立连接调用读写数据调用关闭套接字服务器端客户端图编程流程吉林大学硕士学位论文纠错处理和应急处理，在软件实现上，把送给机器人的控制指令中加入起始标志信息标志终止标志，并按照定的协议规范形成控制字，然后传输给机器人，机器人收到后先对控制字进行解释，如果判断出数据传送正确无误，就把它送给关节控制器，否则就进入错误处理模块。在错误处理模块中，我们方面采用前几次的控制数据来控制机器人，从而保证机器人运动的连续性，另方面，我们采用带外数据传输的方式，来尽快通知遥控计算机，如果遥控计算机接收到的数据传输出错率到达定限度，它就会自动转入更保守的传送方式，如增大每次传输的数据量，在其中加入更多的标志位，减小传输频率。多线程技术在工程机器人的实时控制过程中，由于传输的数据量较大，常常会出现阻塞的现象，为了避免这种情况，我们采用多线程来进行网络编程，如图所示。是个真正的多任务操作系统当运行位程序时。在任意时刻里，总有几个线程在工作，操作系统分配给每个线程个时间片。操作系统以为基本时间片按优先级大小对线程进行调度，进程此时又被称作主线程，每个线程负责维护自己的线程描述表，线程描述表的内容包括寄存器集内核栈线程环境描述块以及线程的属主进程地址空间中的用户栈。在中，是为抢先式多任务系统设计的，这意味着操作系统在竞争的线程中分配的时间片，正在执行的线程的时间片耗尽后，它要挂起，让其他竞争的线程获得。操作系统在切换线程时，保存挂起线程的线程描述表，恢复要执行线程的线程描述表。数据传输线程高优先级数据处理线程低优先级主线程正常优先级动态链接库设备驱动程序应用层核心层控制进程触发事件图多线程框图在遥操作机器人控制软件中，主线程负责与数据传输线程进行通讯，接收实时数据，并将实时数据写入组变量。这组变量为创建监控窗口的各子线程所共享，各子线程从变量中读出实时数据并以相应形式显示在遥控端监控窗口上。数据之间通过事件量来实现资源的同步。中断定时设备驱动程序的编写在遥操作机器人系统中，精确的软件定时器对于机械手的实时控制机器人的在线仿真控制数据和力反馈信号的匹配传输以及视频图像的即时更新具有重要意义。提供给应用程序的定时器源于机的定时中断，它以每秒.次即.次的频率向发出中断请求。因此，使用系统的时钟无论如何也达不到.的精度。公司在其多媒体中提供了高精度定时器的低层支持。利用多媒体定时器可以很精确地读出系统的当前时间,并且能在非常精确的时间间隔内完成个事件函数或过程的调用。但是多媒体定时器运行于用户态，无法避开应用程序中操作系统的线程调度，也就是说为每个线程分配的时间片是所有运行于用户态程序的瓶颈。我们通过编写运行于下的设备驱动程序,来处理实时的周期中断，即硬件中断，就可以使应用程序不会因为线程调度而引起定时不准确。设备驱动程序作为操作系统信任的部分，提供给用户种访问硬件的规范接口，把对硬件的具体操作封装起来。管理器把应用程序对设备的请求变成个个的请求包，然后把传送给驱动程序，当驱动程序完成的处理后，再由管理器把数据和结果返回给用户应用程序如图所示。采用比例阀控制的工程缸，其频率响应大约为左右，实时钟的计时频率是，完全可以满足系统要求。和中断控制有关的寄存器为寄存器和寄存器，其单元索引号分别为和。实时钟电路的端口地址有两个，地址索引端口和数据端口。每当有中断产生后，必须读寄存器，清除中断标志，下次中断才能产生。在中断处理过程中，对中断计数并通过服务向上的应用程序发送消息，应用程序采用线程等待的方式就可以完成每进行次控制量和视频信号的传输，以及仿真机器人的运动状态更新。终端用户应用程序子系统系统服务管理器设备驱动程序硬件仿真层硬件请求包用户态内核态图设备驱动程序调用过吉林大学硕士学位论文.遥操作试验及数据分析试验方案首先针对本临场感遥操作机器人系统中存在的小通信时延提出了控制策略。在假设小通信时延的情况下，保证系统的稳定性和操作性能，使从手能够跟随主手的运动。试验方案示意图如图。.系统组成力反馈操纵杆比例阀控制器电液比例换向阀液压缸计算机位移传感器压力传感器卡卡计数卡。.控制过程在控制开始阶段，遥控机和现场机进行软件握手，成功后，现场机通过卡定时读取液压缸位置状态信号，并接受无线传输的操纵杆位置信号，经位置伺服控制算法得到位移控制量，通过卡传送到比例阀控制器，引起阀芯位移，从而控制液压缸高压油的流量和方向，实现液压缸对操纵杆的位置跟随。主从控制试验的控制软件界面如图所示，该界面的功能包括.根据需要交换操作杆，使操作杆与从手的移动方向保持致.手动调节比例控制器电流，控制阀芯位移，进行流量控制.进行位置控制，使机器臂自动回到初始位置图试验方案示意回油,比例阀控制信号电流比例阀控制器力反馈操纵杆位移传感器压力传感器压力传感器计数卡.在试验过程中，监控大臂前臂基座及抓爪自由度的跟随曲线。如果误差较大，立即停止控制进行调整.通过无线通信传输的监视信号，实时监控从手的操纵作业。主从位置控制试验主从位置伺服控制要求为当操纵手柄位于前方最大位置时，液压缸缸活塞杆全部伸出手柄位于后方最大位置时，液压缸缸活塞杆全部缩回操纵手柄位于中位时，液压缸缸半伸程。即操作者在操纵手柄时液压缸随动，液压缸活塞跟随操纵手柄快速稳定准确地达到指定位置。本研究中的四自由度从手的四个自由度分别由四组直线液压缸驱动，其伺服驱动原理及模型由前分析可知。由计算机读取通过无线通信方式传来的力反馈操纵杆的位置状态，同时位移传感器测量液压缸的位移并以模拟电信号的形式提供给现场计算机，现场计算机通过卡得到当前液压缸的位移。得到这两个量后经控制算法得到数字控制量，这个数字控制量经卡转换成模拟电信号并输入电液控制子系统从而达到控制位移的目的。简单地说就是，当液压缸接近目标位置时，则比例阀的开口减小，使液压缸慢速到达目标位置，到达时则关闭比例阀。超过目标位置时，则比例阀换向，使液压缸反向移动。经实验整定参数后，便获得良好的动态特性和稳定性。使用第四章设计的位置控制器，分别对回转大臂前臂及抓手自由度进行操作控制。由于各组驱动液压缸的结构参数不同，开环传递函数也不同，使得参数整定结果不同，但相差不大。由于存在传感器噪声和不确定干扰，微分作用不宜过图控制程序界吉林大学硕士学位论文大。如图图图图图所示，回转大臂小臂及抓手自由度的主从位置跟踪曲线及所对应的位置控制器参数。从图中可以看出，由于采用位置控制器，相当于在复平面的左半平面加入个实零点。由第四章的根轨迹分析得知，两条根轨迹的渐近线与实轴正方向的夹角为，这可以增加系统的稳定裕度，甚至使系统成为绝对稳定系统。因此从手对主手的随动性能都是良好的，操作者在低速情况下可以灵活地操纵主手，使从手定到达指定的位置。但在实际操纵过程中发现，即使在无抓取状态下，也会感到较大的阻尼并且手有被撞击的感觉，操纵杆容易产生自振在较高速操纵时，由于从手的惯性很大，往往无法精确达到指定位置，这是因为低速下非线性的影响可以忽略，而高速情况下非线性影响较大，有较大的位置控制误差。可以考虑采用相应的控制策略实现动态补偿，如采取移动等待策略，或结合视觉反馈当在自由空间运动时，采用较高速操纵，当接近被抓取物体时，采用低速操纵策略。图操作杆位移液压缸位移位移量化值图操作杆位移液压缸位移位移量化值图操作杆位移液压缸位移位移量化值图操作杆位移液压缸位移位移量化值图主从位置控制跟踪曲回转自由度，.抓手自由度，.大臂自由度，小臂自由度，.第六章基于的视觉虚拟现实虚拟现实技术是种高度逼真地模拟人在自然环境中视听动等行为的人机界面技术，这意味着计算机必须对操作者的各种行为做出实时响应。因此，三维场景的实时动态显示成为虚拟环境技术的个重要方面，它与三维复杂几何模型的建立以及计算机系统有关。在遥操作机器人系统中引入虚拟现实技术，由于操作人员输入的控制指令可以立即被图形机器人响应，二者之间基本不存在时延，而实际机器人的运动状态就是经过定时延后仿真机器人运动的再现，所以，面向虚拟现实的遥操作有利于定程度上克服遥控作业中大时延的影响，同时，操作人员可以改变虚拟环境中的视点和视角，依靠更加生动的视觉临场感信息，完成单的视频反馈所不能达到的监控效果，如待操作任务处于被机器人部分遮住的的位置以及由于环境工况恶劣导致的视频反馈模糊不清等。三维图形仿真部分软件设计是用面向对象的方法，调用图形接口开发的，克服了大多数仿真软件基于图形工作站的限制，实现了机器人的在线实时仿真。的前身是公司为其图形工作站开发的，是个标准的三维计算机图形软件接口，在跨平台移植过程中发展成为。被设计成独立于硬件，独立于窗口系统，在运行各种操作系统的各种计算机上都可用，并能在网络环境下以客户服务器模式工作，是专业图形处理科学计算等高端应用领域的标准图形库。它提供了基本图素如点直线多边形曲线和曲面等的绘制坐标变换包括旋转平移比例变换以及窗口视图变换和裁剪材质和光照处理纹理贴图深度缓存及被遮面的消隐等功能，可以方便的完成复杂几何实体的三维建模和渲染。.系统介绍是套图形标准，它严格按照计算机图形学原理设计而成，符合光学和视觉原理，非常适合可视化仿真系统。个完整的图形处理系统结构为最底层为图形硬件，第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为，第五层为应用软件，如图所示。体系结构应用软件窗口系统操作系统图形硬件图图形处理系统的层次结构吉林大学硕士学位论文指令的解释模型是客户服务器模式，由客户利用进行绘制工作的应用程序向服务器内核发布命令，其命令由服务器来解释。基于客户服务器模式，使得在网络环境中很容易使用，且在不同计算机上的多个终端可以得到在其他计算机服务器上的服务。这样，就具有网络透明性。的库函数被封装在.动态链接库中。从客户应用程序发布的对函数的调用首先被.处理，在传给服务器后，被.进步处理，然后传递给，最后传递给视频显示驱动程序，这过程如图所示。工作流程随着计算机硬件性能的提高和本身的不断发展，使得不再只属于专用图形工作站。如今，开发人员可以在各种硬件平台利用进行图形软件开发。的工作流程如图所示。应用程序.可安装的客户端驱动程序.硬件相关视频显示驱动程序图体系结构．几何操作针对每个顶点的操作每个顶点的空间坐标需要经过模型取景矩阵变换法向矢量矩阵变换，若允许纹理自动生成，则由变换后的顶点坐标所生成的新纹理坐标替代原有的纹理坐标，再经过当前纹理矩阵变换，传递到几何要素装配步骤。几何要素装配不同的几何要素类型决定采取不同的几何要素装配方式。若使用平直明暗处理，线或多边形的所有顶点颜色则相同若使用裁剪平面，裁剪后的每个顶点的空间坐标由投影矩阵进行变换，再由标准取景平面进行裁剪，再进行视口和深度变换操作。如果几何要素是多边形，还