[发明专利]一种基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器。

背景技术

在机器人控制技术领域里，机器人的控制问题一直是控制领域众多学者的研究课题，现代控制理论所提供的几乎所有方法都在其控制系统上作过尝试。

随着机器人应用领域的不断扩大(装配、焊接、医疗外科、太空作业)，对机器人的作业性能也提出了越来越高的要求，这也就对机器人的控制系统性能也提出了更高的要求。其中，机器人主控制器是整个控制系统中最关键的一部分。因此，如何开发出具有开放式结构的标准化、模块化的机器人控制系统无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义。因此，研究模块化机器人主控制器具有更重要的意义。

目前国内主流机器人控制大多采用上下位机的方式或者ARM处理器配合各种硬件协处理器的方式，这样不利于实现高集成，低功耗，而且体积相对庞大。本论文研究的嵌入式多核主控制器的意义在于保证控制稳定可靠的前提下，能耗更小，体积更小，功能可配置，适应不同模块化机器人控制需求。这也是未来模块化机器人主控制器的发展趋势。

发明内容

为了解决当前机器人主控制器集成度低，能耗高，体积相对庞大的问题，本发明提供了一种基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器，把不同功能的处理器核集成到单一的FPGA芯片上，采用CAN总线与各关节控制器通信。本发明实现了机器人主控制器的高集成度，低功耗，小体积，高运算能力，低成本，功能可配置，广泛适用于各种模块化机器人。

本发明的基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器，它包括Nios II软核处理器，DSP协处理器模块，Avalon总线模块，CAN总线控制模块，系统时钟模块，看门狗及复位系统模块，JTAG接口模块，存储器控制模块等。

主控制模块为Nios II软核处理器，通过Avalon总线模块与DSP协处理器、系统时钟模块、看门狗及复位系统模块、JTAG接口模块、CAN总线控制模块、存储器控制模块进行访问控制。同时它在控制过程中负责机器人的路径规划，并通过CAN总线与各关节控制器通信，给出关节角度。主控制模块将数据(当前关节角度和目标位置)传输给DSP协处理器，同时也把控制信息传递给DSP协处理器。

DSP协处理器模块主要包括CORDIC算法，矩阵基本运算，求解变换矩阵和雅克比矩阵三部分功能。它负责根据Nios II软核处理器的控制信息将输入的数据进行运算，然后把得到的数据(到达目标位置所需的关节角)传递给Nios II软核处理器，由它下发给各关节控制器。本发明中，协处理器作为一个I/O设备，与主处理器之间采用松耦合的方式连接，协处理器完全接受主处理器的调度和支配。采用此方法基于如下原因：1)机器人运动控制算法的调度、计算不是一个连续的流水线过程，而是周期性的过程。采用I/O设备方式进行实现完全可以满足需要。2)实际机器人工作要求系统的结构要尽量简单，以保证系统基本性能的可靠性。采用该方式实现，主控制器系统模块化较好，虽然增加了协处理器，但是并没有过多的增加系统的复杂度，保证系统核心部件的可靠性和基本任务的运行。3)采用独立I/O设备方式实现协处理器比较简单且易于实现和管理，可以大大简化软件设计。

系统时钟模块负责把外部晶振产生的时钟进行处理给FPGA内部各个模块使用。

看门狗及复位系统模块负责检测Nios II软核处理器模块是否锁死，在Nios II软核处理器出现故障的时候控制电源短暂停止向其供电，实现Nios II软核处理器的重启。

JTAG接口模块在开发时实现软件系统的在线调试以及最终的程序烧入等功能。

CAN总线控制模块把Nios II软核处理器传递的信息进行处理通过CAN总线传输。它实现了信息在基于FPGA的模块化机器人嵌入式多核主控制器和各个关节控制器之间的传输。

存储器控制模块包括FLASH存储器、SDRAM存储器、EPCS存储器、FPGA片上存储器，其中FLASH存储器用于存储系统程序，SDRAM存储器用于程序的运行，EPCS存储器用于存储系统FPGA的配置文件，FPGA片上存储器用于存储机器人控制参数。

本发明采用uClinux操作系统作为多核主控制器的软件开发平台。uClinux是一个优秀的嵌入式Linux版本，其秉承了标准Linux的优良特性，并经过各方面的改造，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux，非常适合于嵌入式系统。