FPGA与Robot(看论文的总结)

《基于的三轴并联型机器人控制的实现》

论文框架:

1.论文研究背景及研究意义;2.坐标系及正逆解;3.机器人控制系统的总体方案设计;4.系统的硬件设计;5.FPGA逻辑设计,主要实现实时运算;6.系统的测试并对结果进行了分析

在使用FPGA进行机器人空间位置反解运算时,计算公式较复杂,包括三角函数运算、开方运算、乘除法运算等。这篇论文针对其计算公式复杂的特点,提出了一种基于的全流水线设计的实现,为该领域增添了新的实现途。机器人控制方案有多种,大致可以归结于PC上位机处理、单片机处理、FPGA处理、DSP处理、NIOS Ⅱ处理等。

一、PC上位机控制处理,利用PC进行位置反解运算,再将运算结果交给工控机或单片机等来控制电机运转,这种将结果算出来再再下传给下位机进行处理的方法不能保证实时性,数据传输过程中,也不能保证稳定性。

二、单片机控制处理。系列具有体积小、低成本、低功耗、高性能等优点的微型处理器,采用三级流水线提高运算速度读,广泛应用于工业控制、无线通信领域、消费电子领域等。具有比较强的事物处理能力,一般用来跑界面以及应用程序,其主要的优势在于控制处理,但是在数据处理能力及速度上性能一般。其处理复杂的位置反解运算的处理速度也在毫秒级别。

三、DSP与单片机等不同,其采用的是哈佛设计即数据总线和地址总线分开,大大提高了处理速度,适合进行数字信号处理运
算。DSP芯片主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法,其有着在一个指令周期内可完成一次乘加运算、支持流水线操作、程序空间和数据空间独立等优点。适合做算法计算(如等),,但因其外设资源不多所以并不适合做控制。

四、FPGA可以运算速度快、外设资源丰富

这篇文章提出了一个全流水线设计,其中用到了CORDIC算法,可以直接得到反正切函数的值,这个算法值得好好研究!

《空间机器人动力学参数实时解算系统设计》

论文框架:1.空间机器人的国内外发展现状,FPGA的发展现状;2.七自由度空间机器人的动力学解算法研究;3.空间机器人动力学参数实时解算系统设计;4.空间机器人动力学参数实时解算系统研制;

5.系统测试与实验验证;6.总结与展望

机器人正解运算:由运动学正解算法可以看出,整个运动学正解求解过程包含两种运算,一种是关节角的正余弦运算,另一种是四阶矩阵相乘算。因此运动学正解求解模块设计由正余弦模块和齐次变换矩阵相乘模块这两个子模块构成。正余弦模块主要负责计算多路选择器所选关节角度的正余弦值,然后输出到齐次变换矩阵相乘模块。CORDIC核的作用是计算出每个关节角度的正余弦值,四阶方阵相乘和逻辑控制等。

四阶齐次矩阵相乘模块主要由4个乘累加单元(MAC)构成,将2个四阶齐次矩阵相乘变换为4个行向量与四阶方阵的乘法运算,能够同时完成计算齐次变换矩阵的一行。经过三个循环,即可计算出整个齐次变换矩阵(齐次变换矩阵第4行无需计算)。

《基于FPGA的六自由度机器人机械手臂的插补控制系统研究 》

NURBS 曲线直接插补相比较传统直线圆弧插补,具有人工操作数据量小、插补轨迹信息完整、速度平滑等诸多优点,容易实现高效率和高精度插补,已被应用在越来越多插补控制系统中。

数字积分法是根据函数积分的定义,通过求取 n 个小矩形面积之和近似相等于轮廓曲线函数积分的整个面积。其实现过程是判断积分容器的溢出决定是否有脉冲输出。相比较于上述两种方法,其运算速度快、轮廓误差小和方便多轴联动控制等特点。由于其
输入参数少,适合直线、圆弧等线型的插补控制。(我们目前就采用的DDA插补算法)文中还提到一种数据采样插补(它分为粗插补和精插补,这还有待了解)

FPGA是通过AVALON总线来控制各种端口的???

Nios II体系结构中各个组件之间的连接是通过采用 Avalon 总线来实现的,它仅占用很少的 FPGA资源,提供完全的同步接口
Avalon 总线接口分为Slave(从控接口)和 Master(主控接口),根据内嵌于Avalon总线内部的仲裁部件来协调部件间的通讯
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FPGA优点:它具有静态可编程和动态可重构的特性,使得硬件功能可以像软件一样通过编程实现定制与修改。

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