[發明專利]空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統及方法

在審

• 申請號: 202210945161.2
• 申請日: 2022-08-08
• 公開（公告）號: CN115408656A
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 龐亞龍;汪路元;禹霽陽;胡玉茜;梁常春;蔣帥;李珂;牛躍華;周東;李欣;劉偉偉;程博文;李宗凌;王翠蓮;李彥欣;張曉雯
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 高志瑞

本發明公開了一種空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統及方法，其中，該系統包括：參數輸入和初始化模塊、掩膜乘法計算模塊、掩膜和循環控制模塊和并行加法計算模塊；其中，參數輸入和初始化模塊：將復雜函數進行初始化處理后得到初始化數據；掩膜和循環控制模塊：在每個時鐘周期內，判斷存儲數據是否滿足循環結束條件，若不滿足循環結束條件，則對存儲數據進行右移位操作得到右移位數據；掩膜乘法計算模塊：在每個時鐘周期內，將右移位數據進行掩膜乘法計算得到乘法結果；并行加法計算模塊：將存儲數據進行并行加法得到最終結果。本發明能夠快速解決計算特殊復雜數學函數的問題，節省了運算時間，提高了規劃結果精度。

技術領域

本發明屬于空間機械臂運動規劃技術領域，尤其涉及一種空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統及方法。

背景技術

在機械臂的運動規劃中，需要對正運動學和逆運動學進行求解，包括眾多特殊數學函數的計算，例如三角函數、指數對數函數、雙曲函數等，這些函數的計算速度直接影響到整個運動規劃的實時性以及準確性。

目前特殊數學函數計算一般采用查找表、CORDIC及其擴展、或者泰勒展開的方法。這三種方法在實現形式和效果上有著不同的特點。

基于查找表的方法，基本思想是預先計算函數在不同輸入值下的結果，并存儲在系統中，使用函數輸入值作為地址索引，得到系統存儲器中存放的結果。缺點是需要占用大量的存儲空間，且由于存儲空間的限制，得到的運算精度一般較低，故對于高精度需求的應用場合中無法實際使用。

基于CORDIC及其擴展的方法，基本思想是利用CORDIC及其擴展的迭代公式，完成某些數學函數的計算。優勢是在硬件實現形式上，只需要移位和加法操作，硬件實現簡單。缺點是不同數學函數的運算需要使用不同的迭代公式，且只能完成某些特定的數學函數的計算，通用性不夠。

基于泰勒展開的方法，基本思想是把特殊數學函數按照泰勒公式的形式展開得到多項式，通過乘法和加法的組合運算實現數學函數的求解。缺點需要多次加法和乘法運算，運算耗時較長。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統及方法，能夠快速解決計算特殊復雜數學函數的問題，節省了運算時間，提高了規劃結果精度。

本發明目的通過以下技術方案予以實現：一種空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統，包括：參數輸入和初始化模塊、掩膜乘法計算模塊、掩膜和循環控制模塊和并行加法計算模塊；其中，所述參數輸入和初始化模塊：將復雜函數進行初始化處理后得到初始化數據，將所述初始化數據傳輸給所述掩膜和循環控制模塊；所述掩膜和循環控制模塊：在每個時鐘周期內，判斷存儲數據是否滿足循環結束條件，若不滿足循環結束條件，則對存儲數據進行右移位操作得到右移位數據，將右移位數據傳輸給所述掩膜乘法計算模塊；若滿足循環結束條件，將存儲數據傳輸給所述并行加法計算模塊；所述掩膜乘法計算模塊：在每個時鐘周期內，將右移位數據進行掩膜乘法計算得到乘法結果，將所述乘法結果傳輸給所述掩膜和循環控制模塊；所述并行加法計算模塊：將存儲數據進行并行加法得到最終結果。

上述空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統中，所述復雜函數的表達式如下：

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_Nx^N+o(x^N+1)；

其中，f(x)為復雜函數，a₀、a₁、a₂和a_N均為系數，x為自變量，N為多項式的最高次項次數。

上述空間機械臂運動規劃中復雜函數的并行處理系統中，所述初始化數據包括向量操作數V0、向量操作數V1和掩膜使能寄存器的每個維度的比特值的初值；其中，