一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法技術

一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，通過FPGA的DMA?IP核從上層處理器獲得串行數(shù)據(jù)，通過串并轉換模塊獲得主手操作臂三個旋轉關節(jié)的角度信息，然后經過FIFO緩存?zhèn)鹘o機器人模型計算IP核，經過計算得到從手操作臂的三個旋轉關節(jié)的角度信息，通過并串轉換模塊得到串行數(shù)據(jù)，最后通過DMA?IP核回傳給上層的處理器。本發(fā)明專利技術借助System?Generator工具實現(xiàn)機器人模型計算模塊IP核設計，對所設計的機器人模型進行仿真，以驗證所提方法的可行性，本發(fā)明專利技術提高了機器人模型算法的處理速度，滿足高精度測量的同時，能達到高速實時的需求，具有低功耗、小型化、高速等特點，可應用于實施高精度的機器人控制領域。

A robot model algorithm implementation method based on FPGA

A realization method of the robot model based on FPGA algorithm, serial data obtained from the upper processor through the FPGA DMA nuclear IP, through the serial parallel conversion module to obtain the main hand manipulator three rotating joint angle information, and then through the FIFO cache to the robot model to calculate the IP kernel, through the information from the three hand operation of rotary joint the arm angle is calculated, and the string conversion module by serial data, finally to the top of the processor through the DMA IP nuclear return. The design and calculation module of IP core with System robot model Generator tool, the simulation of robot model design, in order to verify the feasibility of proposed method, the invention improves the processing speed of the robot model algorithm, to meet the high precision measurement at the same time, can achieve high-speed real-time demand, with low power consumption, miniaturization with high speed, the robot control field can be applied to the implementation of high precision.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法
本專利技術涉及一種基于FPGA的機器人模型算法的實現(xiàn)方法，特別涉及一種用于主從異構機器人模型計算的FPGA實現(xiàn)技術，屬于機器人控制領域。
技術介紹
隨著機器人技術的蓬勃發(fā)展，機器人正在廣泛地應用于汽車、電子、食品等行業(yè)代替人類從事重復的勞動。當需要在一些人類難以到達或者危險的環(huán)境中完成復雜任務時，普通機器人往往難以勝任，這時主從控制機器人應運而生，主端機器人把操作者的控制命令通過一定的通信手段傳輸給位于特殊或者危險環(huán)境中的從端機器人。研究能廣泛應用于此類環(huán)境的主從控制機器人是當前機器人領域的一個熱門話題。主從控制機器人模型包括主手臂的機器人正運動學和從手操作臂的逆運動學，機器人運動學計算涉及到非線性計算、線性計算，運算量大，用通用計算機或DSP等進行計算時，實時性很難保證，用高性能計算機處來處理成本又非常高。FPGA雖然在速度上與DSP略有差距，但能實現(xiàn)并行結構。最新推出的FPGA器件中,不僅集成有豐富的可配置邏輯塊資源,還包括大量面向計算密集應用的DSP單元、塊狀RAM和高速串行通信單元。因此選擇可編程的邏輯器件進行數(shù)字信號處理是當今世界的發(fā)展趨勢。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，能夠在實現(xiàn)機器人模型算法時既能保證實時性又不會成本太高，提出了一種基于FPGA的機器人模型算法的實現(xiàn)方法，該模塊全部由硬件描述語言實現(xiàn)，可以提升數(shù)據(jù)處理運行速度和穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的計算效率，節(jié)省開發(fā)成本。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。本專利技術的一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)平臺是FPGA，采用硬件描述語言實現(xiàn)，模塊輸入為上層處理器下傳的串行數(shù)據(jù)流，機器人模型算法模塊包括DMA子模塊、串并轉換子模塊、FIFO子模塊、機器人模型計算模塊、算法使能模塊、并串轉換模塊；首先通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊，之后串并轉換子模塊對串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊，之后送入機器人模型計算模塊計算從手操作臂各個關節(jié)的角度信息，將得到的計算結果送入FIFO進行緩存，同時主手操作臂角度信息的FIFO和從手操作臂角度信息的FIFO的full信號送入算法使能模塊用來確定機器人模型計算模塊使能時間，最后經過并串轉換模塊將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，并且通過DMA模塊回傳給上層處理器。上述一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其步驟如下：1)通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊；2)經過FIFO子模塊緩存后送入串并轉換子模塊；3)串并轉換子模塊對步驟2)生成的串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊；4)經過FIFO子模塊緩存步驟3)的數(shù)據(jù)后送入機器人模型計算子模塊；5)機器人模型計算子模塊利用SystemGenerator工具建立，其實現(xiàn)的功能為實現(xiàn)主手操作臂正運動學和從手操作臂逆運動學，將計算得到的從手操作臂的關節(jié)角度信息送入FIFO子模塊；6)經過FIFO子模塊緩存步驟5)的數(shù)據(jù)后送入并串轉化子模塊；7)步驟4)和步驟6)的FIFO的full信號送入算法使能模塊；8)算法使能模塊用來控制算法計算模塊的使能；9)并串轉換模塊對步驟6)的并行數(shù)據(jù)進行處理得到串行數(shù)據(jù)流，并傳入DMA模塊；10)通過DMA模塊將步驟9)的數(shù)據(jù)回傳給上層處理器；上述DMA模塊用于實現(xiàn)上層處理器和FPGA內的大數(shù)據(jù)交互，能大幅度提高數(shù)據(jù)交互的速度，從而提高系統(tǒng)的實時性。上述FIFO模塊用于對數(shù)據(jù)緩存，對提高系統(tǒng)的性能有很大的作用，并且能防止數(shù)據(jù)的丟失。上述機器人模型計算模塊包括反余弦計算模塊、延時子模塊、基本四則運算模塊，設計步驟包括：在Matlab/Simulink軟件環(huán)境中設計機器人模型計算模塊的Simulink模型文件；完成模型文件設計后，利用Simulink的圖形仿真工具，對設計的模型文件進行仿真；在模型文件的設計時添加SystemGenerator模塊，利用該模塊，將會把Simulink中設計好的.mdl文件轉換成.vhdl格式的verilog程序，生成的.vhdl文件用于RTL級設計；對轉換生成的VHDL的程序代碼和RTL設計代碼以及仿真文件在Vivado軟件中進行仿真實驗；經過仿真實驗驗證了代碼的準確性,進而對verilog程序代碼進行綜合編譯,布局布線,生成相應的硬件下載配置文件,將配置文件下載到FPGA器件上完成硬件驗證。上述反余弦計算模塊由輸入正負判斷、反余弦查找表、線性插值、輸出量化四部分組成，通過輸入判斷模塊來確定輸入的正負；將輸入值進行縮放，使其值在反余弦查找表的地址范圍內，并且通過查表獲得相鄰兩個地址對應的反余弦值；經過線性插值模塊進行擬合獲得對應輸入的反余弦值；通過輸出量化模塊并結合正負信息，得到最終的反余弦值。有益效果是：本專利技術提出了一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，提高了機器人模型算法的處理速度，該算法模塊應用于主從控制機器人領域，在滿足高精度測量的同時，還能達到高速實時的需求，同時具有低功耗、小型化、高速等特點，可應用于實施高精度的機器人控制領域，尤其是主從控制領域。附圖說明圖1為基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法總體框圖；圖2為串并轉換模塊實現(xiàn)框圖；圖3為機器人模型計算模塊總體框圖；圖4為反余弦計算模塊實現(xiàn)框圖；圖5為主手機器人正運動學計算模塊實現(xiàn)框圖；圖6為算法使能模塊實現(xiàn)框圖；圖7為FPGA計算結果與理想結果對比圖；圖8為FPGA計算結果與理想結果誤差圖；具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)平臺是FPGA，采用硬件描述語言實現(xiàn)，模塊輸入為上層處理器下傳的串行數(shù)據(jù)流，如圖1所示，機器人模型算法模塊包括DMA子模塊、串并轉換子模塊、FIFO子模塊、機器人模型計算模塊、算法使能模塊、并串轉換模塊。首先通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊，之后串并轉換子模塊對串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊，之后送入機器人模型計算模塊計算從手操作臂各個關節(jié)的角度信息，將得到的計算結果送入FIFO進行緩存，同時主手操作臂角度信息的FIFO和從手操作臂角度信息的FIFO的full信號送入算法使能模塊用來確定機器人模型計算模塊使能時間，最后經過并串轉換模塊將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，并且通過DMA模塊回傳給上層處理器。上述一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其步驟如下：1)通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊；2)經過FIFO子模塊緩存后送入串并轉換子模塊；3)串并轉換子模塊對步驟2)生成的串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊；4)經過FIFO子模塊緩存步驟3)的數(shù)據(jù)后送入機器人模型計算子模塊；5)機器人模型計算子模塊利用SystemGenerator工具建立，其實現(xiàn)的功能為實現(xiàn)主手操作臂正運動學和從手操作臂逆運動學，將計算得到的從手操作臂的關節(jié)角度信息本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)平臺為FPGA，采用硬件描述語言實現(xiàn)，模塊輸入為上層處理器傳來的串行數(shù)據(jù)流，其特征在于，機器人模型算法模塊包括DMA子模塊、串并轉換子模塊、FIFO子模塊、機器人模型計算模塊、算法使能模塊、并串轉換模塊：其步驟如下：1)通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊；2)經過FIFO子模塊緩存后送入串并轉換子模塊；3)串并轉換子模塊對步驟2)生成的串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊；4)經過FIFO子模塊緩存步驟3)的數(shù)據(jù)后送入機器人模型計算子模塊；5)機器人模型計算子模塊利用System?Generator工具建立，其實現(xiàn)的功能為實現(xiàn)主手操作臂正運動學和從手操作臂逆運動學，將計算得到的從手操作臂的關節(jié)角度信息送入FIFO子模塊；6)經過FIFO子模塊緩存步驟5)的數(shù)據(jù)后送入并串轉化子模塊；7)步驟4)和步驟6)的FIFO的full信號送入算法使能模塊；8)算法使能模塊用來控制算法計算模塊的使能；9)并串轉換模塊對步驟6)的并行數(shù)據(jù)進行處理得到串行數(shù)據(jù)流，并傳入DMA模塊；10)DMA模塊將步驟9)的數(shù)據(jù)回傳給上層處理器。...

【技術特征摘要】
1.一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其實現(xiàn)平臺為FPGA，采用硬件描述語言實現(xiàn)，模塊輸入為上層處理器傳來的串行數(shù)據(jù)流，其特征在于，機器人模型算法模塊包括DMA子模塊、串并轉換子模塊、FIFO子模塊、機器人模型計算模塊、算法使能模塊、并串轉換模塊：其步驟如下：1)通過FPGA內的DMA子模塊獲得上層處理器的主手操作臂各關節(jié)的角度信息的串行數(shù)據(jù)流，并將串行數(shù)據(jù)流傳給FIFO模塊；2)經過FIFO子模塊緩存后送入串并轉換子模塊；3)串并轉換子模塊對步驟2)生成的串行數(shù)據(jù)流轉為并行數(shù)據(jù)流傳入FIFO子模塊；4)經過FIFO子模塊緩存步驟3)的數(shù)據(jù)后送入機器人模型計算子模塊；5)機器人模型計算子模塊利用SystemGenerator工具建立，其實現(xiàn)的功能為實現(xiàn)主手操作臂正運動學和從手操作臂逆運動學，將計算得到的從手操作臂的關節(jié)角度信息送入FIFO子模塊；6)經過FIFO子模塊緩存步驟5)的數(shù)據(jù)后送入并串轉化子模塊；7)步驟4)和步驟6)的FIFO的full信號送入算法使能模塊；8)算法使能模塊用來控制算法計算模塊的使能；9)并串轉換模塊對步驟6)的并行數(shù)據(jù)進行處理得到串行數(shù)據(jù)流，并傳入DMA模塊；10)DMA模塊將步驟9)的數(shù)據(jù)回傳給上層處理器。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其特征在于，所述DMA模塊用于實現(xiàn)上層處理器和FPGA內的大數(shù)據(jù)交互，能大幅度提高數(shù)據(jù)交互的速度，從而提高系統(tǒng)的實時性。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于FPGA的機器人模型算法實現(xiàn)方法，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張建勛，張繞，代煜，
申請(專利權)人：南開大學，
類型：發(fā)明
國別省市：天津,12