模塊化機器人嵌入式多核主控制器設計

摘要：針對模塊化機器人控制，提出一種基于FPGA的片上多核主控制器設計方案。利用SOPC技術(shù)在單一芯片上設計兩個(gè)完全不同結構的核心：NiosII軟核處理器和協(xié)處理器。詳細介紹了機器人控制的路徑規劃流程、NiosII軟核體系、協(xié)處理器的構架及接口以及基于SOPC的片上多核系統實(shí)現。實(shí)驗結果驗證了多核主控制器設計的可行性。

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

引言

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

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

1 機器人路徑規劃

設機械臂初始和終止位姿分別記為：Xe0=[Pe0，ψe0]，Xef=[Pef，ψef]。要求機械臂末端手爪沿Xe0到Xef的直線(xiàn)路徑運動(dòng)，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)，機器人手抓運行軌跡如圖1所示。

由初始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標計算出首末端直線(xiàn)距離長(cháng)度為：

對于一個(gè)路徑段，由于兩端的過(guò)渡域具有相同的持續時(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(xiàn)過(guò)渡的線(xiàn)性插值如圖2所示。