[发明专利]基于FPGA的机器人数值膜控制系统及其构建方法

权利要求书

1.基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，机器人姿态传感器根据机器人实时的行进路况和速度，判断机器人的姿态转换预期效果，并将该转换预期效果以数据形式传输至机器人内置计算机；

构建数值膜系统，该数值膜系统是机器人姿态转换的数值膜控制系统；

所述数值膜控制系统由膜结构、变量和程式组成，程式的表达式为：f(x₁₁,…,x_ij,…,x_nm)→a₁|x₁₁+…+a_k|x_ij+…+a_K|x_nm，程式左边为值生成函数f(x₁₁,…,x_ij,…,x_nm)，程式右边为值分配协议，其中，k为表示分配份额系数的变量，1≤k≤K，a_k表示变量x_ij的分配份额系数，i为表示数值膜系统中膜数量的变量，j为表示单个膜中变量的数目变量，1≤i≤n，1≤j≤m，则x₁₁表示第一个膜中的第一个变量，x_ij表示数值膜系统中第i个膜中的第j个变量；

数值膜控制系统中变量的单位份额则变量x_ij分配的份额为

步骤2，在FPGA硬件上实现机器人姿态转换的数值膜控制系统，构成FPGA硬件控制模块；

步骤3，使用UART通信装置，将FPGA硬件控制模块与机器人内置计算机并联，所述UART通信装置包括接收器和发送器，机器人内置计算机将接收的数据输入接收器，接收器与FPGA硬件控制模块串联，FPGA硬件控制模块对数据进行计算处理后，通过发送器转输入机器人内置计算机，所述机器人内置计算机根据数据计算结果，对控制电机发送信号，实现对机器人的姿态转换控制。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，所述接收器为串行输入并行输出的设置，发送器为并行输入串行输出的设置。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，所述步骤2中在FPGA上实现数值膜系统时，使用硬件描述语言Verilog HDL在FPGA的行为级层面上建立数值膜系统的寄存器传输级模型，将数值膜系统的膜结构模块化，数值膜系统的所有计算程式通过1个Verilog模块并行计算，传递膜模块与计算模块对应连接；将行为级模型编译为门级模型，得到模型的数字电路，使用24位寄存器储存数值膜系统的变量，使用硬件描述语言Verilog HDL定义程式表达式，通过FPGA集成的数字信号处理组件完成程式的并行计算，设计除法器实现值分配协议，构成FPGA硬件控制模块。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，所述使用24位寄存器储存数值膜系统变量时，第1位是符号位，第2～11位用于储存变量的整数部分，第12～24位用于储存变量的小数部分，这种表示方法记为24-Q13。

5.根据权利要求3所述的基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，所述程式的并行计算分为3步，计算过程中数值的传递过程如下：

①采用寄存器变量counter作为计算步计数器，从0开始计数，当counter＝0是第1步，counter＝1是第2步，counter＝2是第3步，counter在计算时钟上升沿处进行加1操作；

②当counter＝0且在计算时钟上升沿之前，各变量具有初值0，该初值是在VerilogHDL中定义寄存器型变量时赋的值，在计算时钟上升沿处进行第1步计算和各变量2次赋值，此时由于各变量的初值均为0，所得第1步计算结果也为0，赋予值为该变量的在NPS中的初值，在上升沿之后counter值更新为1；

③当counter＝1且在时钟上升沿之前，由于各变量已经获得其NPS初值，在下一个计算时钟上升沿处，进行第2次计算同时进行值传递，在上升沿之后，得到第2步计算结果，且相关变量的值传递完成；

④同理完成第三次计算与值传递。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的机器人数值膜控制系统的构建方法，其特征在于，所述步骤3中机器人内置计算机发送数据的波特率为v时，FPGA硬件控制模块计算的频率为