模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器設(shè)計(jì)

摘要：針對模塊化機(jī)器人控制，提出一種基于FPGA的片上多核主控制器設(shè)計(jì)方案。利用SOPC技術(shù)在單一芯片上設(shè)計(jì)兩個(gè)完全不同結(jié)構(gòu)的核心：NiosII軟核處理器和協(xié)處理器。詳細(xì)介紹了機(jī)器人控制的路徑規(guī)劃流程、NiosII軟核體系、協(xié)處理器的構(gòu)架及接口以及基于SOPC的片上多核系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了多核主控制器設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：模塊化機(jī)器人；多核控制器；協(xié)處理器；NiosII軟核處理器

引言

隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、可配置化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化。機(jī)器人的內(nèi)涵也已變?yōu)?ldquo;靈活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)在動作功能的智能化系統(tǒng)”。近十幾年來，F(xiàn)PGA行業(yè)也在飛速的發(fā)展，它在實(shí)際科研開發(fā)中的地位也從處理簡單邏輯上升到了數(shù)字系統(tǒng)的核心處理器件。SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)的出現(xiàn)，使得將CPU核與設(shè)備核以及系統(tǒng)軟件集成到單一芯片中成為可行，它能夠幫助用戶快速開發(fā)出所需要的產(chǎn)品。

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目以一個(gè)固定基座的單臂六自由度機(jī)器人作為研究對象，提出一種基于FPGA的模塊化機(jī)器人嵌入式多核主控制器設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)器人路徑規(guī)劃

設(shè)機(jī)械臂初始和終止位姿分別記為：Xe0=[Pe0，ψe0]，Xef=[Pef，ψef]。要求機(jī)械臂末端手爪沿Xe0到Xef的直線路徑運(yùn)動，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為Pe0(x0．y0，z0，α0，β0，γ0)和Pef(xf，yf，zf，αf，βf，γf)，機(jī)器人手抓運(yùn)行軌跡如圖1所示。

由初始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出首末端直線距離長度為：

對于一個(gè)路徑段，由于兩端的過渡域具有相同的持續(xù)時(shí)間，因而在這兩個(gè)域中，采用相同的恒加速度值，只有符號相反，帶拋物線過渡的線性插值如圖2所示。