[發(fā)明專利]一種基于FPGA的類人機器人動作規(guī)劃參數優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2016-07-29
• 公開（公告）號: CN106227037B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發(fā)明（設計）人: 安鵬;鐘秋波
• 申請（專利權）人: 寧波工程學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B25J9/16
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(普通合伙)33243
• 代理人: 張向飛

技術領域

本發(fā)明涉及機器人控制技術領域，尤其涉及一種類人機器人動作規(guī)劃參數優(yōu)化方法。

背景技術

現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起著越來越重要的作用。所謂的自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備和裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數自動按照預定的規(guī)律運行。近幾十年來，隨著計算機技術的發(fā)展和應用，在宇宙航行、機器人控制、導彈制導以及核動力等高新技術的領域中，出現了現代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數系統的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法。從數學意義上說，該方法是一種求極值的方法，即在一組約束為等式或不等式的條件下，使系統的目標函數達到極值，即最大值或最小值。

在類人機器人中，機器人具有進行越障、上下樓梯等各種復雜環(huán)境中運動的優(yōu)點。但是在進行這樣的復雜運動甚至是一些基本的步行運動中，摔倒在所難免。盡管現在對類人機器人的行走等各種運動有了深入的研究，并且已經實現了比較穩(wěn)定的控制，但是還是不能確保機器人百分之百不摔倒。因此，一個主流的控制類人機器人倒地的措施就是采用最優(yōu)化控制算法。也就是說，研究算法使機器人由于摔倒而造成的傷害達到最小，對類人機器人的倒地動作進行最優(yōu)化控制。

現有的類人機器人動作規(guī)劃中存在著各種不同的問題和算法，當前類人機器人動作規(guī)劃普遍采用CPU進行軟件算法離線對機器人進行控制，重視了算法的實現精度，忽略了復雜度。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種基于FPGA的類人機器人動作規(guī)劃參數優(yōu)化方法。

本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是，提出一種基于FPGA的類人機器人動作規(guī)劃參數優(yōu)化方法，其包括步驟：

S1：建立類人機器人動作規(guī)劃參數的定點模型；

S2：根據定點模型設計可重構計算體系結構，提供粗細粒度可重構單元加速比。

進一步地，通過如下方法建立定點模型：

將Matlab模型通過工具箱轉化成C/C++描述的定點模型；

利用如下公式簡化復雜算法：

非線性系統表示為：

其中，

上式中，R^ns表示n維的狀態(tài)空間，R^nc表示n維的控制空間；t∈[0,t_f]，是連續(xù)可微的函數；

系統初始條件為：x(0)＝x⁰

其中，表示給定的一組向量；

令U為所允許的控制信號集合，對于任何的u∈U，令x(t|u)為相應狀態(tài)的向量函數，且在區(qū)間[0,t_f]上連續(xù)，并能處處滿足上述全部公式；則稱x(t|u)為非線性系統所對應于u的解。

進一步地，還包括步驟：

分析硬件結構中各輸入/輸出關系，建立硬件結構中所有中間運算結果的最大、最小值與原始輸入之間的約束關系，通過原始輸入的數值范圍確定所有操作數整數部分的位寬。

進一步地，所述可重構計算體系結構包括：粗粒度自動細胞機結構和細粒度運算加速結構；

在粗粒度自動細胞機結構中，一個自動細胞機可用四元組表示為：

CA＝(A_D,Z_q,f_i(o,r),B)

其中，空間結構A_D是由D維細胞單元構成的空間結構，狀態(tài)空間Z_q是自動細胞機中細胞單元i的狀態(tài)取值范圍；鄰域函數規(guī)則f_i(o,r)是自動細胞機的鄰域半徑r確定的第j個細胞單元的0階鄰域狀態(tài)配置與其轉移狀態(tài)之間的映射:邊界條件B規(guī)定了某個細胞單元領域半徑之內的鄰域單元在超出自動細胞機空間結構時的處理方法；

所述細粒度運算加速結構采用偽隨機數算法；假設有n個隨機點，其中m個落在f(x)在(a,b)之間的積分陰影處那么積分值為：

進一步地，所述偽隨機數通過Box Muller算法生成高斯隨機數。

進一步地，在類人機器人腳底轉動軸中增加帶反饋的力傳感器并將數據實時傳輸給上位機。

進一步地，在步驟S1和步驟S2之間還包括分析定點模型計算瓶頸的步驟；采用Intel Vtune工具尋找反復出現并且使用頻率高于平均使用頻率或者運算效率低于平均運算效率的部分。