基于ZYNQSoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案

1、OpenHW12項(xiàng)目申請(qǐng)基于 ZYNQ SoC的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安富利特別題目基于 Zynq 平臺(tái)的伺服控制或運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目成員 :華中科技大學(xué)二一二年十一月目錄1 項(xiàng)目概述 11.1 工業(yè)應(yīng)用 11.2 系統(tǒng)方案 32 工作原理介紹 63 項(xiàng)目系統(tǒng)框架圖 83.1 ZYNQ硬件系統(tǒng)框架圖 . 83.2 軟件系統(tǒng)框架圖 . 93.3 多軸控制器實(shí)現(xiàn) . 104 項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)效果 115 附錄一：項(xiàng)目技術(shù)基礎(chǔ) . 135.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu) . . 135.2 軟件設(shè)計(jì) 145.3 總結(jié) 166 附錄二： ZYNQ基礎(chǔ) 161 項(xiàng)目概述1.1 工業(yè)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，

2、 包括機(jī)器人手臂、 裝 配生產(chǎn)線、起重設(shè)備、數(shù)控加工機(jī)床等等。并且隨著高性能永磁材料 的發(fā)展、電力電子技術(shù)的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展使得永磁同步電機(jī)( PMS，M Permanent Magnet Synchronous Motor ) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)難度降低、成本降低，同時(shí) PMSM在運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)中作為執(zhí)行器件的應(yīng)用也越來越廣泛。 大量運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn)都是基于通用嵌入式處理器。 在此基礎(chǔ)上， 很多學(xué)者和研究人員對(duì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。多軸控制的發(fā)展是為了滿足工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)傳動(dòng)等應(yīng)用需求。 其主要包括兩大方面， 多軸串聯(lián)控制和多軸同步控制。 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)

3、載較 大、傳動(dòng)精度要求很高、運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜的情況下，經(jīng)常使用多軸 串聯(lián)的方式來解決，如圖 1.1 所示。1)雙電機(jī)齒條傳動(dòng)2) NASA 70-m天線設(shè)備圖 1.1 多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)應(yīng)用多軸串聯(lián)控制器可以實(shí)現(xiàn)包括多軸力矩動(dòng)態(tài)分配、傳動(dòng)補(bǔ)償校 正、多軸位置 / 速度同步等功能。其主要應(yīng)用場合包括立式車床回轉(zhuǎn) 臺(tái)、復(fù)合車床對(duì)向主軸、龍門起重設(shè)備。當(dāng)前，主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備廠商都推出有支持多軸串聯(lián)功能的產(chǎn)品。 例 如 Rockwell 1336 IMPACT AC Drive ，其采用主從控制方案實(shí)現(xiàn)多軸 串聯(lián)功能。SIEMEN S INUMERIK8 40D則采用交叉耦合控制(CCC,c ross co

4、uple control )方案。 FANU、C ABB、Mitsubishi electric都有類似功能的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。國外也有眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。在20 世紀(jì) 70 年代，主從控制方案由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便被廣泛用于 這類應(yīng)用中。然而，主從控制方案未能充分發(fā)揮各單軸驅(qū)動(dòng)的性能， 系統(tǒng)帶寬與響應(yīng)速度十分有限。 受限于當(dāng)時(shí)單軸驅(qū)動(dòng)與主從控制器的 性能，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在環(huán)境復(fù)雜，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求較高的場合，主 從控制方案難以滿足應(yīng)用需求。 如何充分利用單軸運(yùn)行狀態(tài)， 建立多 軸間狀態(tài)關(guān)系？如何設(shè)計(jì)控制器， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制補(bǔ)償， 實(shí)現(xiàn)多 軸之間的協(xié)調(diào)同步。針對(duì)上述問題， Y. Koren

5、 于 1980 年提出了交叉 耦合控制方案， 并逐步應(yīng)用于多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)中。 隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)技 術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，交叉耦合控制方案得到了不斷的完善。 多位學(xué)者針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)交叉耦合控制方案進(jìn)行了深入的分析， 并設(shè) 計(jì)控制算法對(duì)各個(gè)軸的位置、速度、轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和協(xié)調(diào)。所設(shè) 計(jì)的交叉耦合控制器已在不同的數(shù)字處理器平臺(tái)中得到實(shí)現(xiàn)， 取得了 良好的控制效果。隨著數(shù)控技術(shù)等的發(fā)展， 高精度的多軸同步控制系統(tǒng)的發(fā)展也越 來越快，需求也在逐漸增大。例如在多軸加工機(jī)床、多軸雕刻機(jī)、貼 片機(jī)手臂等系統(tǒng)上的應(yīng)用。 在這些工業(yè)應(yīng)用中， 對(duì)多臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制 協(xié)調(diào)的精度需求也不斷增加。上述的應(yīng)用和研究方案，

6、大多采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元分布式安裝控 制，通過工業(yè)以太網(wǎng)或者現(xiàn)場總線通信。 串聯(lián)協(xié)同和同步控制的計(jì)算 處理主要在上位機(jī)中完成。這種方案靈活可靠，應(yīng)用廣泛，特別適合 于大型分布式系統(tǒng)，如自動(dòng)化生產(chǎn)線、重型機(jī)床。然而，當(dāng)以下情況發(fā)生時(shí)，上述方案的局限性就會(huì)突顯出來。（ 1）設(shè)備集成度較高，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的體積有一定限制；（ 2） 系統(tǒng)需采用不同通信接口的驅(qū)動(dòng)設(shè)備， 難以購買成套設(shè)備； （3）當(dāng)設(shè)備數(shù)量和設(shè)備間通信的信息量增加時(shí)，將對(duì)系統(tǒng)通信 模塊的設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。（4）上位機(jī)負(fù)擔(dān)了大量的計(jì)算、通信和實(shí)時(shí)人機(jī)交互任務(wù)。上 位機(jī)的成本會(huì)隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高。本方案針對(duì)上述問題，依托 ZYNQ SoC豐

7、富靈活的資源配置，將 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法、 多軸控制算法、 實(shí)時(shí)人機(jī)交互集成于 ZYNQS oC 中。系統(tǒng)集成化程度得到全面的提升，配置更加靈活，可以實(shí)現(xiàn)不同 設(shè)備間的互聯(lián)。系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量成倍降低，并且可以實(shí)現(xiàn)分布式管理。 上位機(jī)不用負(fù)擔(dān)計(jì)算任務(wù)，硬件成本進(jìn)一步降低。1.2 系統(tǒng)方案傳統(tǒng)數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)多軸串聯(lián)控制器的方案存在諸多限制。 交叉 耦合控制器設(shè)計(jì)難度大， 實(shí)現(xiàn)困難。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)間的連接， 使得系統(tǒng)可以運(yùn)用于不同的場合，系統(tǒng)需要匹配不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)接 口。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)分配和傳動(dòng)補(bǔ)償， 需要實(shí)時(shí)觀測各個(gè)電機(jī)的 工作情況。 由于多軸同步控制器參數(shù)整定比較復(fù)雜， 需要控制器擁有 較

8、強(qiáng)的處理計(jì)算能力， 甚至可以支持在線動(dòng)態(tài)參數(shù)整定。 上述這些功 能的實(shí)現(xiàn)，需要復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算能力、昂貴的系統(tǒng) 配置和較高的系統(tǒng)功耗。針對(duì)上述需求，如何通過改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采 用高效的開發(fā)方法和工具實(shí)現(xiàn)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)， 具有重要的應(yīng)用價(jià) 值和學(xué)術(shù)研究價(jià)值。本設(shè)計(jì)通過齒輪傳動(dòng)， 將多臺(tái) PMSM電機(jī)裝配在一起， 為系統(tǒng)提 供更大的力矩輸出和更高的帶寬。我們通過設(shè)計(jì)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)， 將不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接起來， 控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)器保持實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)同步。 并 且，該系統(tǒng)還將包括多軸串聯(lián)控制器輔助調(diào)試和可視化人機(jī)交互接口 等一系列功能。我們將雙軸 PMSM電機(jī)共同連接在一個(gè)較大的齒輪盤上，并在齒

9、 輪中央同軸安裝一臺(tái) PMSM電機(jī)。實(shí)現(xiàn)大齒輪盤與中間同軸電機(jī)的旋 轉(zhuǎn)同步。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 3D效果圖如下圖 1.3 所示。本設(shè)計(jì)擬將多軸控制系統(tǒng)從底層驅(qū)動(dòng)至上位機(jī)人機(jī)交互等一整 套完整的功能，通過分層實(shí)現(xiàn)的方法逐一實(shí)現(xiàn) PMSM驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)級(jí)協(xié) 同、基于操作系統(tǒng)的人機(jī)交互等層次設(shè)計(jì)。 在進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率和 通用性、降低硬件成本的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的完整性，為用戶調(diào)試和 使用提供方便。圖 1.3 系統(tǒng)整體測試臺(tái)效果圖ZED開發(fā)系統(tǒng)采用 Xilinx Zynq-7000 系列處理器。 Zynq-7000 系 列處理器基于 Xilinx 可擴(kuò)展處理平臺(tái)。單片處理器擁有雙核 ARM Cortex- A9 處

10、理系統(tǒng)和 28nm Xilinx 7 系列可編程邏輯單元。其可 編程邏輯單元通過動(dòng)態(tài)可重配置可以實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口的連接。 高速片總線實(shí)現(xiàn)信息在 Zynq-7000 處理單元間的無縫傳遞。 豐富的外 部設(shè)備接口保證 Zynq-7000 處理器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)觀測。 Zynq-7000 處理器強(qiáng)大的處理能力、豐富的計(jì)算手段可以實(shí)現(xiàn)多軸串 聯(lián)控制器參數(shù)的在線整定。在此基礎(chǔ)上，雙核 ARMC ortex-A9 處理系 統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)實(shí)時(shí)管理與人機(jī)交互。 相比數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP, digital signal processor)和工控機(jī)( IPC， industry personalco

11、mputer)，基于可編程邏輯單元的控制器可以發(fā)揮其并行處理的優(yōu) 勢，在更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。 這樣，基于 Xilinx Zynq-7000 系列處理器的 ZED開發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一整套多軸同步控制系統(tǒng)。 從底 層的多軸串聯(lián)控制算法， 到系統(tǒng)上層的人機(jī)交互與基于模型的計(jì)算機(jī)輔助調(diào)試功能，都可以在一塊芯片中完成。因此，整個(gè)系統(tǒng)的低功耗和電路的可復(fù)用性也可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，上述方案與 ASIC( application-specific integrated circuit)相比，該方案通用性優(yōu)勢明顯，且系統(tǒng)成本大幅度降低。所以，采用 ZED開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)多軸同步控制系統(tǒng)， 不僅對(duì)多軸控 制系統(tǒng)的

12、發(fā)展、推廣有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，將有助于多軸控 制系統(tǒng)的理論分析與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合， 具有學(xué)術(shù)研究價(jià)值。 與此同時(shí)， 本項(xiàng)目將采用嵌入式軟 / 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行開發(fā)，借助 ZED開 發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)支撐， 力求在開發(fā)效率、 開發(fā)成本和系統(tǒng)性能等方面得 到全面的優(yōu)化。2 工作原理介紹圖 2.1 系統(tǒng)工作原理圖借助于 ZED開發(fā)板強(qiáng)大的性能和完善的設(shè)計(jì)軟件，可以實(shí)現(xiàn)快 速、高效的系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)工作原理如圖 2.1 所示。前期系統(tǒng)模型和 分析利用 Matlab 完成。通過 Matlab 與 Xilinx 產(chǎn)品的相互支持，設(shè) 計(jì)者可以快速確定控制器方案和具體實(shí)施細(xì)節(jié)，包括多軸串聯(lián)控制 器、多軸同

13、步控制器、狀態(tài)觀測器等?？刂菩盘?hào)通過標(biāo)準(zhǔn)接口傳遞給 各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 控制各軸的運(yùn)動(dòng)。 各軸的實(shí)時(shí)狀態(tài)也通過接口反饋到 上位機(jī)，并可以傳遞給 Matlab 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和參數(shù)調(diào)試。針對(duì)多軸串聯(lián)控制器， 本設(shè)計(jì)采用交叉耦合結(jié)構(gòu)， 在線監(jiān)測各軸 工作狀態(tài)， 以此自適應(yīng)調(diào)整各個(gè)單軸控制器和多軸控制器。 多軸串聯(lián) 控制器對(duì)各個(gè)單軸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 并實(shí)現(xiàn)同步控制器協(xié)同中央 電機(jī)和兩個(gè)大齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的協(xié)同旋轉(zhuǎn)。詳細(xì)系統(tǒng)框圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 多軸控制系統(tǒng)框圖3 項(xiàng)目系統(tǒng)框架圖3.1 ZYNQ硬件系統(tǒng)框架圖圖 3.1 系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1 所示。主要包括高密度數(shù)據(jù)處理、控

14、制算法以及基于操作系統(tǒng)的人機(jī)交互和任務(wù)管理系統(tǒng)等。 多個(gè)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)使用 ZYNQ的 PL 邏輯部分完全實(shí)現(xiàn)。ZYNQ系統(tǒng)框架如圖 3.2 所示。 ARMC ortex-A9 處理核心主要負(fù)責(zé) 人機(jī)交互、系統(tǒng)通信、任務(wù)管理和部分實(shí)時(shí)控制任務(wù)。其分別安裝通 用操作系統(tǒng)( GPOS, general purpose operating system )和實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)( RTOS, real-time operating system )。通用操作系統(tǒng)主要 用于管理人機(jī)交互任務(wù)和系統(tǒng)通信， 可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與上位機(jī)設(shè)備的連 接。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要管理系統(tǒng)的控制任務(wù)，合理分配系統(tǒng)資源。并通過與 Zynq 可

15、編程邏輯的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速并行處理。除此 之外，本設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了存儲(chǔ)擴(kuò)展， 以提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)控制 和運(yùn)行速度。并在此基礎(chǔ)上， ZYNQ可編程邏輯單元負(fù)責(zé)大量的控制 算法和信號(hào)處理計(jì)算，包括系統(tǒng)辨識(shí)、多軸控制算法等。利用可重配 置標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制不同類型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖 3.2 硬件系統(tǒng)框架圖3.2 軟件系統(tǒng)框架圖本項(xiàng)目將采用軟 / 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行開發(fā)。項(xiàng)目針對(duì)系統(tǒng) 需求進(jìn)行軟 / 硬件協(xié)同劃分。在硬件開發(fā)的同時(shí)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)， 并及時(shí)進(jìn)行協(xié)同和調(diào)整。詳細(xì)軟件系統(tǒng)框架如圖 3.3 所示。Cortex-A9 CPU1 搭載 Linux 操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)信息交互與

16、高 性能處理設(shè)備擴(kuò)展。 Cortex-A9 CPU2 搭載 TOPPERS/AS實(shí)P 時(shí)操作系 統(tǒng)，負(fù)責(zé)傳感器信息采集、通用外設(shè)調(diào)度以及與 ZYNQ SoC可編程邏 輯單元的信息交互。圖 3.3 軟件系統(tǒng)框架3.3 多軸控制器實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的協(xié)同，使用模糊控制器 等實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步算法。模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法，由于 在多軸控制之中，雖然能對(duì)各個(gè)電機(jī)建立模型，但對(duì)于多個(gè)電機(jī)之 間存在耦合關(guān)系之后，模型的建立相當(dāng)困難，并且控制器要求的輸 入變量較多，所以使用模糊數(shù)學(xué)處理該控制器較為方便。但是在模糊控制器的實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于規(guī)則整定參數(shù)調(diào)節(jié)等方便存 在一定的難

17、度，所以對(duì)于規(guī)則表的自整定也是研究的熱門話題。我 們決定使用者粒子群優(yōu)化算法 ( Particle Swarmo ptimization ，PSO)實(shí)現(xiàn)參數(shù)、規(guī)則表的整定。實(shí)現(xiàn)框圖如圖 3.4 所示圖 3.4 控制器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于 PSO算法，我們考察了之前論文的實(shí)現(xiàn)情況，使用 Xilinx Pro 系列 FPGA XC2VP3即0 可實(shí)現(xiàn) 5 并行的的 PSO。而 ZYNQ邏輯 資源量遠(yuǎn)大于該 FPGA的資源量。 所以實(shí)現(xiàn)這些算法， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)模糊 控制器以及多個(gè)電機(jī)的電流、速度閉環(huán)控制器是綽綽有余的。當(dāng)然我們實(shí)現(xiàn) GA/PSO算法也可以考慮使用 ARM-A9核實(shí)現(xiàn)，這 要考慮具體算法的時(shí)間復(fù)雜度

18、以及編程復(fù)雜度， 同時(shí)考慮計(jì)算量等， 最終使用最少的資源拿出最好的解決方案。4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)效果本項(xiàng)目利用基于 Xilinx Zynq-7000 系列處理器的 ZED開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)以及多電機(jī)高性能同步控制系統(tǒng)。 實(shí)際實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)依照?qǐng)D 1.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中綠色齒輪由左右兩臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)， 黃色齒輪由中間電機(jī)帶動(dòng)。預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)效果為：（ 1）在 ZYNQ的 PL部分實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上所有三臺(tái) PMSM電機(jī)的電 流環(huán)控制模塊。（ 2）實(shí)現(xiàn)多軸控制算法及電機(jī)對(duì)象狀態(tài)觀測，可驅(qū)動(dòng)至少2 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行于串聯(lián)連接狀態(tài)。 控制系統(tǒng)可有效發(fā)揮各單軸驅(qū)動(dòng)性能， 保 證系統(tǒng)響應(yīng)迅速，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。具體到該

19、平臺(tái)上就是實(shí)現(xiàn)左右兩臺(tái)電機(jī)通過多軸串聯(lián)控制器實(shí) 現(xiàn)消除齒輪間隙（消隙） 、增加帶寬等高性能驅(qū)動(dòng)。（3）實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)在線學(xué)習(xí)、自調(diào)整。能夠精確控制多個(gè)運(yùn) 動(dòng)軸之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。具體到該平臺(tái)上就是在綠色大齒輪和黃色齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)上做協(xié)同 控制，保證兩個(gè)齒輪上固定的細(xì)連接桿不斷。（ 4）系統(tǒng)搭載 Linux 多核操作系統(tǒng)和 TOPPERS/FM多P核實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)。系統(tǒng)功能覆蓋底層信息傳遞至上位機(jī)圖形顯示。 用戶上位機(jī) 操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可利用上位機(jī)調(diào)試和監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)。（5）系統(tǒng)支持可重配置通用接口，可連接不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng) 通用性強(qiáng)，可應(yīng)用與不同場合。（6）項(xiàng)目采用軟 / 硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方式進(jìn)行開發(fā)

20、。 系統(tǒng)開發(fā)效率高， 并且易于根據(jù)用戶需求開發(fā)定制型服務(wù)和擴(kuò)展功能5 附錄一：項(xiàng)目技術(shù)基礎(chǔ)參與比賽項(xiàng)目：第三屆 OpenHW開源硬件與嵌入式大賽，項(xiàng)目名 稱為“基于軟硬件協(xié)同處理 的小型輪式機(jī)器人平臺(tái) ”，項(xiàng)目連 接： ./project/index_view_1945.html 。5.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)該項(xiàng)目中使用 Xilinx 公司 Spartan 6 系列 FPGA芯片 XC6SLX16 和 ARM7處理器 NXP LPC2478基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種層次化的處理平 臺(tái)、三種協(xié)同處理架構(gòu)以及通用協(xié)同處理片結(jié)構(gòu)， 并在輪式機(jī)器人應(yīng) 用中進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，完成了數(shù)字圖像處理

21、、雙閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制、點(diǎn)陣液 晶顯示、智能手機(jī)平臺(tái)控制。結(jié)果顯示，軟硬件協(xié)同處理架構(gòu)大大提 升了系統(tǒng)性能， 設(shè)計(jì)開發(fā)方法更加快了開發(fā)進(jìn)程。 該平臺(tái)在工業(yè)控制 領(lǐng)域具有一定廣泛意義和推廣價(jià)值， 該架構(gòu)下的輪式機(jī)器人適合研究 自動(dòng)駕駛、自動(dòng)泊車、圖像處理、智能控制算法等機(jī)器人應(yīng)用。隨著 基于 FPGA的 SOPC技術(shù)的發(fā)展，使用 SOPC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可重配置的機(jī) 器人控制器也成為了機(jī)器人平臺(tái)研究的熱點(diǎn)。 然而基于開發(fā)控制系統(tǒng) 的商業(yè)性、系統(tǒng)可升級(jí)性、 算法復(fù)雜度以及工具鏈、生態(tài)鏈成熟度的 角度考慮，使用基于 ARM的 CPU作為主控制器更易于實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)。 同 時(shí)，非常有商業(yè)前景的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng) TO

22、PPER在S ARM7上的移 植可以豐富系統(tǒng)的應(yīng)用及加強(qiáng)實(shí)時(shí)性。項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖 5.1 所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 FPGA與 ARM系統(tǒng)的片外 EMC總線圖 5. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2 軟件設(shè)計(jì)ARM7主控制器方面移植 TOPPERS/AS實(shí)P 時(shí)操作系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn) 了 USB主從協(xié)議棧，以太網(wǎng)協(xié)議棧，文件系統(tǒng)等組件， ARM通過 EMC 總線訪問 FPGA的資源，這樣只要定義好訪問規(guī)則以及含義就像訪問 一個(gè)普通的外設(shè)一樣方便。我們已經(jīng)在 FPGA部實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙閉環(huán) 控制，攝像頭采集的圖像信息的預(yù)處理， 以及小型黑白字符點(diǎn)陣液晶 的控制。舉例而言，對(duì)于電機(jī)的控制， ARM只需要對(duì)電機(jī)給定速度就

23、可以， 如果需要獲取速度也可以直接讀取對(duì)應(yīng)的地址的容就可以。同時(shí)由于 ARM控制器部實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)， 在 ARM端可以實(shí)現(xiàn) 一個(gè) FPGA不好實(shí)現(xiàn)的控制算法并且保證算法的實(shí)時(shí)性，同時(shí)已經(jīng)實(shí) 現(xiàn)了通過 ARM的以太網(wǎng)接口連接到小型 USB供電的路由器上， 建立一 個(gè)小型的無線局域網(wǎng)， 并且已經(jīng)在 android 上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用， 可以通過 wifi 連接到這個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，來和 ARM進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，由于我們 自己定義好了一套基于 TCP和 UDP的 傳輸協(xié)議，其中 TCP主要負(fù)責(zé) 可靠的數(shù)據(jù)傳輸， 用于發(fā)送控制命令， UDP主要用于傳輸大量的數(shù)據(jù)， 這里我們將攝像頭采集到的實(shí)時(shí)圖像返回到 an

24、droid 客戶端，并且可 以實(shí)時(shí)顯示。 通過定義好的通信協(xié)議我們可以通過 android 客戶端做 更多更高級(jí)的算法處理，將處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸回去。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制能力， 我們還實(shí)現(xiàn)了小型移動(dòng)機(jī)器人的 循線控制，通過攝像頭采集賽道上的數(shù)據(jù)， FPGA進(jìn)行圖像預(yù)處理， FPGA通過外部中斷的方式通知 ARM控制器圖像預(yù)處理完畢， ARM就從 定義好的存儲(chǔ)位置獲取處理后的圖像， 將其進(jìn)行簡單的運(yùn)算， 獲取路 徑信息，給出合適的速度和角度，然后通過對(duì) FPGA定義好的運(yùn)動(dòng)控制寄存器設(shè)定每個(gè)電機(jī)的速度， 這樣形成一個(gè)周期性的控制， 就可以 實(shí)現(xiàn)循線的目標(biāo)。小型移動(dòng)機(jī)器人整體的結(jié)構(gòu)圖如下圖 5.2 所示圖 5. 2 實(shí)現(xiàn)及處理結(jié)果5.3 總結(jié)我們之前的項(xiàng)目開發(fā)基礎(chǔ)