1.
1-1 研究動機
現代工業與商業系統的趨勢是將運算、通訊和控制單元，加以整合成各種 不同層級的處理程序，以方便系統的建立與管理，而透過網路匯流排(Network bus)概念的加入，可以增進整合後的系統，在工作效率與系統維護所帶來的改 善。因此，各種網路協定便因應而生，常見於工業界的協定，例如：WorldFIP、
Profibus、P Net、SERCOS、CAN [1]。然而，網路化系統首先面臨的問題，便 是網路傳輸狀況所帶來的影響，網路引起的訊息傳遞延遲、訊息封包遺失與訊 息排程，以及節點之間時脈的不同步問題。為了探討上述的種種因素，本文將 以 CAN (control area network)為系統的通訊網路，進行各種傳輸條件下的網路 分析實驗，探討各項網路的傳輸狀況。
然而，在網路系統的設計上，各個網路節點(node)之間通訊格式的問題，
包括訊息識別碼(ID)、資料長度和內容規劃，甚至於訊息行經的節點與目的節 點，都是系統建構上必須加以考慮的，針對此部份，本文將 CAN 的應用層通 訊協定加以延伸，設計出符合應用場合的通訊協定，並根據網路分析實驗結果，
針對網路節點之間的時脈同步，提出解決方式並加以驗證。
最後，本論文將所設計的應用通訊協定和時脈同步方法，實現於全向性移 動平台的控制系統上，完成全向平台之分散式運動控制系統。
1-2 文獻回顧
半導體技術的發展，大幅縮短了各類元件的製造週期，帶動了電子電機相 關研究領域，同樣也帶來了不同於以往的新概念，網路便是一個最明顯的例子，
從電子電路上的元件溝通到系統資料傳遞，乃至於乙太網路(Ether Net)、無線 網路(wireless network)，網路概念的延伸與應用隨處可見，因此，網路控制系統 (NCS, network control system)的概念也跟著成型。
網路控制系統相關的研究課題紛紛被提出[2]，對於整體系統而言，足以影 響 系 統 效 能 的 網 路 因 素 ， 被 歸 類 為 以 下 幾 點 ： 網 路 傳 遞 所 產 生 延 遲 (network-induced delay)[3-4]、節點間時脈不同步(jitter)[5-6]、資料遺失(data dropout)[7-8]、取樣週期(sampling period)[9-10]、網路排程(network scheduling)[11]
等等，針對這些因素加以探討，便能對網路控制系統的效能進行分析。
然而，為了因應不同的使用場合，眾多的網路規格一一被開發，CAN bus 是最常被使用應用於工業用控制的網路之一，因此，前段所述各項網路因素於 CAN 網路的分析，也同樣成為相關的研究課題[12-14]。另一方面，如何在原有 CAN 的架構之上，建立上層的通訊協定，以縮短系統開發與整合的時程，如 CANopen[15]、Device Net[16]等，或是改良其本身的不足之處，如延長其傳輸 距離[17]，除此之外，為了系統整合的目的，更延伸到與其他網路結合[18]，使 得 CAN bus 網路的應用範疇更為廣泛。
本文將 CAN 應用到四輪獨立控制的全向位移動平台，機器人移動平台近 來成為一個熱門的研究領域，其目的在於協助人類進行繁瑣工作，或是進入人 類不易到達的場所，因此，如何提高移動平台的移動能力，使其更具機動性，
便成為機器人領域的一項課題。於是，一種新的全向平台被提出[19]，它採用 全方向性輪，如圖 1-1，這種輪子同時擁有橫向及縱向滾動的輪子，透過輪子 間合力分力的關係，決定其移動方向，相較於差動輪移動平台，全向輪移動平 台有更好的移動性，其優點為：(1)改變平台方向時，輪軸不需移動，(2)可在原 地旋轉平台，不需旋轉半徑，(3)可同時自旋與曲線運動。此類的移動平台，已 被廣泛的討論[20-21]。
目前常見的全向性移動平台，大多以三軸到五軸的平台為主，在不同的考
量下，這三類平台各有本身的優缺點[22]，三軸在以 60 度為倍數的移動角度上，
可以達到較好的移動效率，四軸則是在 90 度為倍數的角度上，能獲得遠大於其 他兩者的效果，至於五軸的效能，則是在各種角度效能都相當平均，此外，在 負重能力上，軸數越多負重能力就相對的越好，本論文中是採用四軸全向平台，
對於直線路徑，移動速率與節省消耗功率都有所幫助。
圖 1-1 全向輪
1-3 問題描述
為了建立全向平台的網路系統，從網路的傳輸架構到分散式全向平台控制 系統的實現，本論文所需克服的問題如下：
1、 了解 CAN 網路傳輸特性
在網路控制系統中，除了在集中式系統的設計考量，網路傳輸的特性 更是影響系統架構和效能的重要因素之一，包含傳輸的媒介、傳輸速率、
封包傳遞方式等特性，而網路傳輸所衍生的各項課題，如：傳輸延遲、資 料遺失現象、網路時脈的同步性等因素，同樣是必須納入考量的相關因 素。此外，除了系統架構之外，系統的控制規格也與網路特性有關，如系 統取樣時間的設計，便必須配合網路頻寬而設計。
在本論文中，所採用的網路通訊協定為 CAN bus，為了系統架構的設 計，必須對 CAN 網路協定與系統規格加以分析，了解相關的網路與系統
特性，以利網路系統架構的建立。
2、 如何制定 CAN 應用層通訊協定
在多數的工業用通訊網路中，主要都以提供穩定可靠的傳輸協定為 主，對於如何與應用程序互動，並未詳加規範，所以，網路系統設計時，
開發者必須建立網路與處理程序之間的對應關係，而本論文所採用的 CAN 網路，雖有相關的應用層協定，對網路與應用端的互動加以規範，但卻必 須付出額外的軟硬體成本，因此，本論文在全向平台網路系統的建立上，
並不採用其應用層協定，而自行制定控制資料的傳遞方式以及網路的傳輸 行為等等，以達到網路系統的建構。
3、 如何實現全向平台的分散式控制系統
本論文以全向移動平台作為網路系統的實現平台，除了控制架構的設 計，如何將上述兩項網路課題與控制架構結合，以移動平台作為所設計之 網路協定的驗證，也是必須解決的問題之一，因此，如何設計控制架構以 及網路系統的整合，都是本論文將解決之問題。
1-4 研究方法與步驟
本論文研究方法與步驟如下：
1、 CAN 網路的傳輸分析實驗
為了獲得 CAN bus 的傳輸特性，本論文以硬體實驗的方式，進行網路 傳輸實驗，首先，量測各項的網路時間參數，包含軟體的前(後)處理時間、
各種傳輸速率和封包大小下的傳輸時間，接著，以不同的系統條件作為實 驗參數，包括傳輸封包大小、傳輸速率、取樣週期、傳輸資料量四項，並 統計傳輸的資料遺失量作為實驗結果的指標。在實驗結果的分析上，藉由 網路傳輸時脈模型的概念，作為結果分析的基礎，針對各個實驗結果提出
解釋，並歸納出網路系統的傳輸性質。
2、 CAN 應用層通訊協定的設計
CAN 應用通訊協定，以 CANopen 和 Device Net 最為常見，兩者雖都 是以 CAN 作為底層通訊協定，但在實際應用上，都需額外的軟硬體支援，
並不適用於本論文的控制架構，但其設計概念仍可加以運用，因此，本論 文將 CANopen 的概念作為基礎，以全向平台控制為主要考量，制定應用通 訊協定，並根據分析實驗的結果，提出網路時脈同步方法，並透過實驗加 以驗證，結合應用通訊協定和時脈同步方法，作為全向平台的控制網路架 構。
3、 分散式全向平台控制系統的整合
全向平台控制系統的實現中，本論文將建立平台的硬體控制電路，以 DSP(digital signal processor)和微控器 8051 作為各個節點的運算核心，搭配 相關的週邊電路，達到平台的閉迴路控制，並與前述的應用層通訊協定結 合，將網路節點的管理與控制參數設定等系統管理行為，透過網路架構加 以整合，完成分散式的平台控制系統。
1-5 論文架構
本論文共分為五章，第一章旨在說明研究動機與目的、相關文獻回顧、敘 述所面臨的相關問題、本論文的研究方法與步驟、以及論文架構。第二章先對 CAN bus 加以說明，包括通訊協定、訊息封包格式以及錯誤處理機制三部份，
並以 CAN 建構網路分析實驗環境，在不同的傳輸條件下進行實驗，以資料遺 失量作為實驗結果的指標，並以網路時脈模型協助結果分析，歸納出影響網路 系統的相關因素。第三章則先介紹 CANopen，包括其通訊協定與網路管理兩部 份，接著，將其設計概念加以延伸，制定出以全向平台控制系統為考量的應用
通訊協定，此外，根據第二章的網路分析結果，提出網路時脈同步方法以及驗 證結果，也於此進行說明。第四章則為分散式全向平台控制系統說明，包括全 向平台硬體架構、運動模型與系統程式架構，系統整合的相關實驗結果，包含 網路系統的實現結果、平台移動控制的實現，同樣於此章進行說明。第五章則 為本論文的結論以及未來的發展方向。