[發(fā)明專利]一種基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器

無效

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• 申請日: 2011-11-29
• 公開（公告）號: CN102393656A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫漢旭;賈慶軒;葉平;曾祥宇;張丹;魏楠哲
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器。

背景技術(shù)

在機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域里，機(jī)器人的控制問題一直是控制領(lǐng)域眾多學(xué)者的研究課題，現(xiàn)代控制理論所提供的幾乎所有方法都在其控制系統(tǒng)上作過嘗試。

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大(裝配、焊接、醫(yī)療外科、太空作業(yè))，對機(jī)器人的作業(yè)性能也提出了越來越高的要求，這也就對機(jī)器人的控制系統(tǒng)性能也提出了更高的要求。其中，機(jī)器人主控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分。因此，如何開發(fā)出具有開放式結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的機(jī)器人控制系統(tǒng)無疑對提高機(jī)器人性能和自主能力、推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。因此，研究模塊化機(jī)器人主控制器具有更重要的意義。

目前國內(nèi)主流機(jī)器人控制大多采用上下位機(jī)的方式或者ARM處理器配合各種硬件協(xié)處理器的方式，這樣不利于實(shí)現(xiàn)高集成，低功耗，而且體積相對龐大。本論文研究的嵌入式多核主控制器的意義在于保證控制穩(wěn)定可靠的前提下，能耗更小，體積更小，功能可配置，適應(yīng)不同模塊化機(jī)器人控制需求。這也是未來模塊化機(jī)器人主控制器的發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決當(dāng)前機(jī)器人主控制器集成度低，能耗高，體積相對龐大的問題，本發(fā)明提供了一種基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器，把不同功能的處理器核集成到單一的FPGA芯片上，采用CAN總線與各關(guān)節(jié)控制器通信。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人主控制器的高集成度，低功耗，小體積，高運(yùn)算能力，低成本，功能可配置，廣泛適用于各種模塊化機(jī)器人。

本發(fā)明的基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器，它包括Nios?II軟核處理器，DSP協(xié)處理器模塊，Avalon總線模塊，CAN總線控制模塊，系統(tǒng)時(shí)鐘模塊，看門狗及復(fù)位系統(tǒng)模塊，JTAG接口模塊，存儲(chǔ)器控制模塊等。

主控制模塊為Nios?II軟核處理器，通過Avalon總線模塊與DSP協(xié)處理器、系統(tǒng)時(shí)鐘模塊、看門狗及復(fù)位系統(tǒng)模塊、JTAG接口模塊、CAN總線控制模塊、存儲(chǔ)器控制模塊進(jìn)行訪問控制。同時(shí)它在控制過程中負(fù)責(zé)機(jī)器人的路徑規(guī)劃，并通過CAN總線與各關(guān)節(jié)控制器通信，給出關(guān)節(jié)角度。主控制模塊將數(shù)據(jù)(當(dāng)前關(guān)節(jié)角度和目標(biāo)位置)傳輸給DSP協(xié)處理器，同時(shí)也把控制信息傳遞給DSP協(xié)處理器。

DSP協(xié)處理器模塊主要包括CORDIC算法，矩陣基本運(yùn)算，求解變換矩陣和雅克比矩陣三部分功能。它負(fù)責(zé)根據(jù)Nios?II軟核處理器的控制信息將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后把得到的數(shù)據(jù)(到達(dá)目標(biāo)位置所需的關(guān)節(jié)角)傳遞給Nios?II軟核處理器，由它下發(fā)給各關(guān)節(jié)控制器。本發(fā)明中，協(xié)處理器作為一個(gè)I/O設(shè)備，與主處理器之間采用松耦合的方式連接，協(xié)處理器完全接受主處理器的調(diào)度和支配。采用此方法基于如下原因：1)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的調(diào)度、計(jì)算不是一個(gè)連續(xù)的流水線過程，而是周期性的過程。采用I/O設(shè)備方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)完全可以滿足需要。2)實(shí)際機(jī)器人工作要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要盡量簡單，以保證系統(tǒng)基本性能的可靠性。采用該方式實(shí)現(xiàn)，主控制器系統(tǒng)模塊化較好，雖然增加了協(xié)處理器，但是并沒有過多的增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，保證系統(tǒng)核心部件的可靠性和基本任務(wù)的運(yùn)行。3)采用獨(dú)立I/O設(shè)備方式實(shí)現(xiàn)協(xié)處理器比較簡單且易于實(shí)現(xiàn)和管理，可以大大簡化軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)把外部晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘進(jìn)行處理給FPGA內(nèi)部各個(gè)模塊使用。

看門狗及復(fù)位系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)檢測Nios?II軟核處理器模塊是否鎖死，在Nios?II軟核處理器出現(xiàn)故障的時(shí)候控制電源短暫停止向其供電，實(shí)現(xiàn)Nios?II軟核處理器的重啟。

JTAG接口模塊在開發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的在線調(diào)試以及最終的程序燒入等功能。

CAN總線控制模塊把Nios?II軟核處理器傳遞的信息進(jìn)行處理通過CAN總線傳輸。它實(shí)現(xiàn)了信息在基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器和各個(gè)關(guān)節(jié)控制器之間的傳輸。

存儲(chǔ)器控制模塊包括FLASH存儲(chǔ)器、SDRAM存儲(chǔ)器、EPCS存儲(chǔ)器、FPGA片上存儲(chǔ)器，其中FLASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，SDRAM存儲(chǔ)器用于程序的運(yùn)行，EPCS存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)FPGA的配置文件，F(xiàn)PGA片上存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)機(jī)器人控制參數(shù)。

本發(fā)明采用uClinux操作系統(tǒng)作為多核主控制器的軟件開發(fā)平臺(tái)。uClinux是一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，其秉承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性，并經(jīng)過各方面的改造，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，非常適合于嵌入式系統(tǒng)。