[发明专利]基于FPGA的机器人数值膜控制系统及其构建方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的机器人数值膜控制系统及其构建方法，该控制系统包括机器人姿态传感、机器人内置计算机、控制电机以及FPGA硬件控制模块，机器人姿态传感、机器人内置计算机与控制电机依次信号连接，机器人内置计算机与FPGA硬件控制模块通过UART通信装置并联；控制系统的构建方法包括以下步骤：步骤1，根据机器人的预期姿态转换效果构建数值膜系统；步骤2，在FPGA硬件上实现数值膜系统，形成控制模块；步骤3，将FPGA硬件控制模块与机器人内置计算机并联形成控制系统；本发明的构建过程简单，构建的系统能够及时对机器人的运行数据进行计算以控制机器人的姿态，使得机器人姿态转换更加迅速、准确。

技术领域

本发明属于生物计算与通信硬件实现技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的机器人数值膜控制系统及其构建方法。

背景技术

在生物膜计算中，符号对象膜系统可以求解一些典型的计算困难问题，或者对某些生物、生态问题进行建模，但是无法应对实际应用中的复杂实值函数计算；为了依靠膜计算的大规模并行性来应对经济领域的海量数值变量计算，膜计算思想提出者Gheorghe于2006年提出的一种新型膜系统即数值膜系统(Numerical P System,NPS)，在工程领域中同样需要处理大量的实值函数计算，且要求计算模型的输出结果必须是确定的，数值膜系统的提出为膜计算理论应用于经济领域和工业领域奠定了基础。

机器人控制是数值膜系统在工程领域应用的典型事例，随着多传感器、图像、视频处理以及大规模人工智能算法的集成融合，机器人的灵敏度和智能度均有了快速的提高，机器人控制器的计算负荷急剧增加，传统微控制器或微计算机的串行处理模式难以有效的提高计算速度，导致机器人反应速度的提高受到极大限制，膜计算作为新型并行计算范式，为并行处理机器人控制器的设计开辟了新思路，但是符号对象膜系统的非确定性是机器人控制需要避免的，否则机器人控制器的输出结果不确定，机器人无法完成指定任务；数值膜系统剔除了非确定性，保留了大规模并行性，使得基于数值膜系统开发机器人数值膜控制器成为提高机器人控制器处理速度的新方法。

机器人数值膜控制器开发完成后，使用软件语言编制机器人数值膜控制系统，并在机器人内置计算机上运行该程序受到计算机CPU处理能力的限制，不能完全实现机器人数值膜控制系统的大规模并行计算，需要设计专门的并行处理硬件架构；FPGA作为现场可编程门阵列，能将特定功能的算法转化为靠时钟触发的并行数字电路，在FPGA上实现机器人数值膜控制系统是获得大规模并行计算能力的关键。

如果用FPGA取代机器人内置计算机则需要对机器人的传感器模拟量信号进行调压、模拟量-数字量转换等，FPGA计算完成后还需将输出的数字量计算结果转换成模拟量，才能控制电机完成相应动作，使得机器人控制过程相对复杂；而采用通信手段替代机器人传感器、控制电机与FPGA的直接连接，会简化机器人的控制过程，提高机器人控制时的大规模并发计算能力，有利于机器人控制；UART作为常用的串行异步通信协议，因其通信线路简单、成本低和通信距离长等优点而得到广泛应用，通过UART可以建立RBC与FPGA的通信，简化机器人控制过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的机器人数值膜控制系统，通过UART通信实现机器人内置计算机、传感器与FPGA硬件控制模块之间的通信，通过FPGA硬件控制模块上的机器人数值膜控制系统实现对机器人行为的控制，机器人数值膜控制系统剔除了不确定性，结合FPGA的大规模并行性处理能力，使机器人的反应速度得到极大地提高。

本发明的目的还在于提供一种基于FPGA的机器人数值膜控制系统构建方法，构建过程简单，为数值膜系统应用于实际计算提供新的思路。

本发明所采用的技术方案是，基于FPGA的机器人数值膜控制系统包括机器人姿态传感器、UART通信装置、FPGA硬件控制模块、机器人内置计算机和控制电机；

所述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；