CN109324601B - 基于硬件在环的机器人控制器或控制***的测试平台 - Google Patents

基于硬件在环的机器人控制器或控制***的测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，用于对机器人控制器或控制***进行功能及性能测试、故障注入测试与总线功能测试，其特征在于，所述测试***包括：控制信号输出模块；控制信号输入模块；主控模块，包括仿真对象模型生成单元、测试脚本生成单元、信号采集单元、人机交互单元、故障注入单元。本发明针对工业机器人控制器或控制***越来越复杂、总线结构繁多、安全性要求越来越高，具有强实时性要求的特点，在现有研究的基础上，设计了一种基于机器人控制器或控制***的半实物仿真测试平台。该平台通过结合功能及性能测试、故障注入测试和总线功能测试，支持多种机器人控制器或控制***的仿真测试，并且支持多种总线接口扩展，能够自动执行测试。本发明的控制器或控制***通用性好，测试效率高，实时性效果好。

Description

基于硬件在环的机器人控制器或控制***的测试平台
技术领域
本发明涉及一种机器人控制器或控制***硬件在环仿真测试平台，用于对机器人(尤其是工业机器人)的控制器或控制***进行半实物仿真测试。
背景技术
工业机器人发展至今，汇聚了自动化技术、计算机网络技术、传感器技术、电子电工技术、人工智能技术、机械学与仿生学等多种技术，达到了高度的智能化程度。与此同时，工业机器人的数量也在不断的增加，得到了大规模的应用。而控制器或控制***作为工业机器人的核心部件，对机器人的安全运行起重要作用。因此，在控制器或控制***出厂之前需要经过严格的测试。
纵观工业机器人的发展，控制器或控制******的复杂性不断增加。为了验证控制器或控制***的设计方案，以及减少设计中可能出现的隐患，需要进行控制器或控制***功能、性能测试，同时验证它的设计是否满足设计需求。
此外，控制器或控制***逐渐从单一嵌入式***发展到多总线、多节点协同的***。各节点之间多采用复合网络，如CAN、串口、Ethernet、EtherCAT等总线类型，作为载体进行信息和数据的采集、传输、控制，交互关系复杂，总线接口类型众多，其质量保证是难题，需要对其进行总线功能测试。
控制器或控制***安全变得越来越重要，而导致安全的原因中，安全漏洞也在逐年增加。为了提高控制器或控制***的安全性，需要对其漏洞进行检测并修复，但是人工检测的代价太大。故障注入测试可以用来对控制器或控制***进行检测，验证其健壮性与安全性。
针对以上工业机器人控制器或控制***存在的问题，本发明设计了一种基于工业机器人控制器或控制***的半实物仿真平台。该半实物仿真测试作为质量保证的重要手段，已经得到了越来越多的应用，如高速列车网络控制、工业生产与监控、卫星姿态控制等，建立了专用的半实物仿真测试平台，但是都比较专用，通用性不够。
发明内容
本发明的目的是提供一种专门针对机器人控制器或控制***基于硬件在环的半实物仿真测试平台。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，用于对机器人控制器或控制***进行功能及性能测试、故障注入测试与总线功能测试，其特征在于，所述测试***包括：
控制信号输出模块，用于将测试脚本通过虚拟通信总线经由真实总线接口注入到控制器或控制***中，使得控制器或控制***按照测试脚本运行，产生用于控制运动部件的控制信号；
控制信号输入模块，用于将控制器或控制***产生的控制信号通过虚拟通信总线输入给主控模块；
主控模块，包括仿真对象模型生成单元、测试脚本生成单元、信号采集单元、人机交互单元、故障注入单元，其中：
故障注入单元，在进行故障注入测试时，依据控制器或控制***常见的故障类型及在半仿真测试中无法自动加载的故障类型生成故障信息，将故障信息注入仿真对象模型生成单元；在进行总线功能测试时，根据需要生成总线干扰信号，将总线干扰信号注入虚拟通信总线；
仿真对象模型生成单元，用于根据控制器或控制***所控制的运动部件生成该运动部件的正常仿真对象模型，或者用于根据控制器或控制***所控制的运动部件及故障注入单元注入的故障信息生成该运动部件的故障仿真对象模型，在进行功能及性能测试或总线功能测试时，由正常仿真对象模型接收来自控制信号输入模块的控制信号，依据控制信息进行仿真动作，在进行故障注入测试时，用户利用人机交互单元在正常仿真对象模型与故障仿真对象模型之间进行选择切换，由正常仿真对象模型或故障仿真对象模型接收来自控制信号输入模块的控制信号，依据控制信息进行仿真动作；
测试脚本生成单元，用户利用人机交互单元向测试脚本生成单元输入由控制器或控制***所控制的运动部件的基本参数及控制器或控制***的关键参数，测试脚本生成单元单独将关键参数存储入初始文件，测试脚本生成单元依据输入的基本参数及关键参数以及控制器或控制***所控制的运动部件生成测试脚本；
信号采集单元，用于采集仿真动作后，正常仿真对象模型和/或故障仿真对象模型的仿真输出参数，根据仿真输出参数生成功能及性能测试、故障注入测试或总线功能测试的测试结论，并利用人机交互单元查看该测试结论。
优选地，所述主控模块通过LEBVIEW软件进行图像化编辑。
优选地，所述主控模块利用所述LABVIEW的测量I/O模块中的DAQ数据采集单元和XNET单元，由DAQ数据采集单元利用所述关键参数对控制器或控制***进行配置，利用XNET模块检查控制器或控制***是否可以执行功能及性能测试，如果可以，再进行相应的测试。
优选地，所述主控模块部署在多台PC上由多名用户控制，或部署在单台PC上。
本发明针对机器人***交互关系复杂、总线种类繁多，具有强实时性要求的特点，在现有研究的基础上，设计了一种基于机器人控制器或控制***的半实物仿真测试平台。该平台通过结合功能及性能测试、故障注入测试和总线功能测试，支持多种机器人控制器或控制***的仿真测试，并且支持多种总线接口扩展，能够自动执行测试。本发明的控制器或控制***通用性好，测试效率高，实时性效果好。
附图说明
图1为本发明的总***框图；
图2为本发明的整体工作流程图；
图3为本发明的硬件部分的原理图；
图4为功能及性能测试子平台的测试流程图；
图5为故障模型的工作状态图；
图6为总线功能测试的工作状态图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
在现有研究基础上，本发明设计的一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台的整体技术方案如图1所示。本发明能够模拟工业机器人的***测试环境，以接收的数据作为输入，并通过虚拟通信总线将数据传入到被测件(即用于机器人的控制器或控制***)中。
本发明的半实物仿真测试***采用“平台+多功能”的设计理念，平台包括主控模块、控制器或控制***和控制信号输入与输出模块，其实现的多功能包括可以实现功能及性能测试、故障注入(故障注入)测试***及总线功能测试。主控模块可以部署在多台PC上由多名测试人员控制，也可以部署在单台PC上，负责测试环境配置、测试脚本编写等。控制信号输入与输出模块负责对整个测试环境进行交互，提供可靠的数据通信，并通过具体的总线接口将测试数据注入到控制器或控制***来完成实际的测试。
半实物仿真测试平台的整体工作流程如图2所示，主控模块根据被控制器或控制***所控制的对象的仿真模型，即机器人运动部件的仿真模型和用户从外部输入的参数生成测试脚本，该测试脚本通过半实物仿真环境的虚拟总线经由真实总线接口注入到控制器或控制***中。控制器或控制***根据生成的测试控制脚本运行，主控模块实时采集控制器或控制***的输出数据并进行相应处理。
如图3所示，本发明设计的半实物仿真测试***的硬件部分包括主控、数据采集卡及显示屏。主控模块包含信号处理模块和模型仿真模块，通过LABVIEW软件进行图形化编程，并配置相应的测试端口，输出所需的控制信号。数据采集卡负责采集电机的电流信号或者控制器或控制***的电压等信号，在LABVIEW软件中分析电动机的电流和转速信息，并绘制出需要的曲线。最后，通过对特定的曲线进行分析，判定控制器或控制***的控制性能。
本发明设计的基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台的测试对象为工业机器人的控制器或控制***，该控制器或控制***采用真实的控制器或控制***，对机器人的运动部件进行仿真，将建立的仿真模型建立在PC中。机器人的运动部件包括电动机、驱动器等重要零部件。本测试平台使用LabVIEW软件设计一套控制器或控制***自动化测试***，它可以测试多种控制器或控制***。在本实施例中，测试平台采用总线与控制器或控制***进行通讯，能够稳定、快速地进行数据传输。
在本发明中，控制器或控制***为待测试部件，其是工业机器人的核心零部件，它控制工业机器人的作业方式和状态。控制器或控制***的信号包括电源信号、电动机信号、车速信号、传感器信号等。信号类型包含模拟信号、PWM信号和数字信号，涵盖了大部分常见的信号类型。在工业机器人的控制过程中，要想让控制器或控制***正常工作，必须提供合适的输入信号和CAN信号，并可以通过采集其输出信号来评定其性能好坏。在本发明中，测试的对象至少包含直角坐标机器人、三角架机器人、并联机器人、关节机械臂等类型的控制器或控制***。
以下以本发明实现的三个不同测试功能对主控模块予以描述：
1)功能及性能测试子平台
此平台主要进行控制器或控制***的功能及性能测试。功能及性能测试属于控制器或控制***出厂的最后一项测试，但是由于传统的手工测试存在测试周期长、测试项目多等不足，已经不能满足快节奏测试的需求。
在功能及性能测试子平台中，建立机器人运动部件的仿真模型，仿真模型在控制器或控制***的控制下仿真运行时，实时采集其控制信息，完成控制器或控制***的功能及性能测试。其中，通过LABVIEW建立的仿真模型能够实现微秒级的实时仿真，满足常用控制器或控制***硬件在环实时仿真要求。除了高效的实时仿真，在主控***，还需要A/D转换、PWM检测以及位置传感器等模块，作为控制信号的中转站。另外，控制器或控制***外设上的多路数模转换模块用于检测控制器或控制***的电压、电流以及温度等信息。
主控模块主要包括嵌入式控制器或控制***，嵌入式控制器或控制***主要适用于模块化仪器和数据采集应用。同时，主控模块包含故障注入硬盘驱动器、串行端口和其他外设I/O。数据采集模块将待测的电动机电流信号转化为较小的电流信号或者电压信号，以便于与数据采集卡的采集工作。
在众多的编程工作中，本测试平台选择的是LABVIEW编程软件。LABVIEW使用的语言不同于其他文本编程语言，它是图形化编程语言，采用图形化编程方式，将需要的控件或者工具添加到前面板或者程序流程图中即可。LABVIEW具有多线程的工作方式，能够同时完成多个任务。在测试开始的时候，测试人员只需点击开始测试，主控便可自动完成整个测试流程，包括特定的功能、性能曲线、各评价指标的判定、测试数据的保存、不同工况下的测试数据等。
整个功能及性能测试子平台的测试过程如图4所示。参数配置：数据采集卡采集控制器或控制***的电压或者电流信号，并将此信号传送到主控中。DAQ对总线相应的板卡进行配置，使主控能够输出控制器或控制***所需的PWM信号、数字信号和模拟电压信号等。XNET模块主要用于输出CAN信号。检查控制器或控制***是否可以执行功能、性能测试，如果可以，则进行相应的测试。运用LABVIEW的人机交互模块的输入模块，输入对应于控制器或控制***的控制对象的基本参数，并将控制器或控制***的关键参数写入初始文件中。在进行不同的控制器或控制***的测试时，只需要改变控制对象的关键参数，避免了人机交互界面的来回切换的繁琐过程。根据测试需求，包括控制器或控制***的类型，选择相应的测试类型。在测试完成时，将测试得到的曲线和关键参数的曲线进行保存。
2)故障注入测试子平台
控制器或控制***功能及性能测试在工业机器人测试环节中是必不可少的，它能够最大程度的检测出机器人在运行过程中可能会出现的一些功能性的问题。由于半实物仿真存在的没有实景测试环境的原因，很多在实际运行过程中出现的问题，可能无法暴露出来。本测试平台包含了控制器或控制***故障注入测试，或者故障注入测试。
为了更好地验证控制器或控制***的安全性，在功能、性能测试子平台的基础上，平台搭建了故障注入测试子平台。平台会根据机器人控制器或控制***的常见故障类型，以及在半实物仿真的测试中无法自动加载的故障类型，分别设计带有故障的对象模型，并且设计了人机交互界面来切换正常对象模型与故障对象模型。在仿真过程中，还可以通过改变故障对象模型中的重要系数来修改故障类型。故障模型的工作状态如图5所示。
3)总线功能测试子平台
总线功能测试可以从总线的物理特性、通讯数据和网络行为几个方面来验证控制器或控制***是否符合总线的设计要求。在验证控制器或控制***实时状态与用户需求的符合性的同时，总线功能测试也可以为后期的控制器或控制***整改提供依据。
总线功能测试子平台需要的测试工具有电源、万用表、示波器、信号发生器等。首先，在总线功能测试过程中，编写测试程序，设置仿真节点，配置测试条件；在测试的过程中，监视总线的运动波形，并以此来分析其信号的质量；在有需要的情况下，输入总线干扰的相关数据，用来模拟总线故障；最后，记录测试生成的数据，并生成测试报告。总线功能测试的工作状态如图6所示。

Claims (4)

1.一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，用于对机器人控制器或控制***进行功能及性能测试、故障注入测试与总线功能测试，其特征在于，所述测试平台包括：
控制信号输出模块，用于将测试脚本通过虚拟通信总线经由真实总线接口注入到控制器或控制***中，使得控制器或控制***按照测试脚本运行，产生用于控制运动部件的控制信号；
控制信号输入模块，用于将控制器或控制***产生的控制信号通过虚拟通信总线输入给主控模块；
主控模块，包括仿真对象模型生成单元、测试脚本生成单元、信号采集单元、人机交互单元、故障注入单元，其中：
故障注入单元，在进行故障注入测试时，依据控制器或控制***常见的故障类型及在半仿真测试中无法自动加载的故障类型生成故障信息，将故障信息注入仿真对象模型生成单元；在进行总线功能测试时，根据需要生成总线干扰信号，将总线干扰信号注入虚拟通信总线；
仿真对象模型生成单元，用于根据控制器或控制***所控制的运动部件生成该运动部件的正常仿真对象模型，或者用于根据控制器或控制***所控制的运动部件及故障注入单元注入的故障信息生成该运动部件的故障仿真对象模型，在进行功能及性能测试或总线功能测试时，由正常仿真对象模型接收来自控制信号输入模块的控制信号，依据控制信息进行仿真动作，在进行故障注入测试时，用户利用人机交互单元在正常仿真对象模型与故障仿真对象模型之间进行选择切换，由正常仿真对象模型或故障仿真对象模型接收来自控制信号输入模块的控制信号，依据控制信息进行仿真动作；
测试脚本生成单元，用户利用人机交互单元向测试脚本生成单元输入由控制器或控制***所控制的运动部件的基本参数及控制器或控制***的关键参数，测试脚本生成单元单独将关键参数存储入初始文件，测试脚本生成单元依据输入的基本参数及关键参数以及控制器或控制***所控制的运动部件生成测试脚本；
信号采集单元，用于采集仿真动作后，正常仿真对象模型和/或故障仿真对象模型的仿真输出参数，根据仿真输出参数生成功能及性能测试、故障注入测试或总线功能测试的测试结论，并利用人机交互单元查看该测试结论。
2.如权利要求1所述的一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，其特征在于，所述主控模块通过LABVIEW软件进行图像化编辑。
3.如权利要求2所述的一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，其特征在于，所述主控模块利用所述LABVIEW的测量I/O模块中的DAQ数据采集单元和XNET单元，由DAQ数据采集单元利用所述关键参数对控制器或控制***进行配置，利用XNET单元检查控制器或控制***是否可以执行功能及性能测试，如果可以，再进行相应的测试。
4.如权利要求1所述的一种基于硬件在环的机器人控制器或控制***测试平台，其特征在于，所述主控模块部署在多台PC上由多名用户控制，或部署在单台PC上。
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