基于雙CPU+FPGA的開放式工業(yè)機(jī)器人控制器架構(gòu)的制作方法

本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙cpu+fpga的開放式工業(yè)機(jī)器人控制器架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：

開放式工業(yè)機(jī)器人控制器對(duì)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和研究具有重要促進(jìn)作用。在應(yīng)用方面，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人提出了更高的要求，需要其在生產(chǎn)過(guò)程中具有更多的柔性和更易用的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種小批量的生產(chǎn)。這些都要求機(jī)器人控制器具有開放性，能夠方便地接入用戶自己的外部設(shè)備，并進(jìn)行工藝流程控制程序的開發(fā)。而在研究方面，對(duì)機(jī)器人控制器的開放性需求更為迫切，研究人員希望有一個(gè)開放式的機(jī)器人控制器，能夠在上面集成各種外部傳感器并進(jìn)行控制算法的開發(fā)以提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平。

然而，目前商品化的機(jī)器人系統(tǒng)均采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計(jì)算機(jī)作為上層主控計(jì)算機(jī)，使用專用機(jī)器人語(yǔ)言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eeprom中，這種專用系統(tǒng)很難集成外部硬件，而且修改封閉系統(tǒng)的代價(jià)是非常昂貴的，如果不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問(wèn)題的根本辦法是研究和開發(fā)開放結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服機(jī)器人專用控制器的封閉性問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于雙cpu+fpga的開放式工業(yè)機(jī)器人控制器架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。主cpu通過(guò)調(diào)用可重構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)功能庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)品應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)重構(gòu)和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求；輔cpu通過(guò)數(shù)據(jù)共享，既可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的補(bǔ)償控制，也可全部接管機(jī)器人的控制，用于算法研究和功能模塊開發(fā)，達(dá)到分級(jí)高度開放的目標(biāo)。由于共享數(shù)據(jù)采用同一地址編碼，輔cpu程序可以生成被主cpu程序直接執(zhí)行的機(jī)器代碼，實(shí)現(xiàn)功能模塊的快速移植和重構(gòu)。fpga芯片引腳數(shù)量多，可為各種外部設(shè)備提供接口，同時(shí)又能方便地進(jìn)行時(shí)序電路的設(shè)計(jì)。fpga中設(shè)計(jì)的雙端口ram結(jié)構(gòu)具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，可使兩個(gè)cpu分時(shí)獨(dú)立訪問(wèn)其內(nèi)部ram資源，并且雙cpu同時(shí)訪問(wèn)時(shí)的仲裁邏輯電路全部集成在雙端口ram內(nèi)部，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于雙cpu+fpga架構(gòu)的開放式工業(yè)機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)方法主要包括以下步驟：

1)搭建開放式機(jī)器人控制器的外部接口電路，包括hmi接口、擴(kuò)展通訊接口、jtag接口、以太網(wǎng)/工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口、傳感器接口、di/do/ai/ao/plc接口、伺服總線接口。hmi接口，用于連接手持編程示教器或者pc編程示教器到主cpu；擴(kuò)展通訊接口，用于連接外部擴(kuò)展設(shè)備/ros-i等到fpga；jtag接口，用于從pc端下載程序到輔cpu；以太網(wǎng)/工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口，用于連接pc至輔cpu；傳感器接口，用于連接各種外部傳感器到fpga；di/do/ai/ao/plc接口，用于連接外部i/o至fpga；伺服總線接口，用于連接伺服單元至fpga。

2)fpga內(nèi)部擴(kuò)展總線控制模塊與擴(kuò)展通訊接口相連接，fpga內(nèi)部存儲(chǔ)器接口控制模塊與ram/rom存儲(chǔ)器相連接，fpga內(nèi)部io控制接口模塊與di/do/ai/ao/plc接口相連接，fpga內(nèi)部傳感器接口控制模塊與傳感器接口相連接，fpga內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制接口模塊與高速伺服總線接口相連接。內(nèi)部總線包括內(nèi)部總線a和內(nèi)部總線b以及相應(yīng)的總線控制器，內(nèi)部總線a將各控制模塊與主cpu相連接；內(nèi)部總線b將各控制模塊與輔cpu相連接。

3)在主cpu和輔cpu中搭建系統(tǒng)軟件。主cpu和輔cpu的系統(tǒng)軟件均采用實(shí)時(shí)分層控制和模塊化設(shè)計(jì)方法，將軟件劃分為不同功能模塊。系統(tǒng)軟件通過(guò)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性分級(jí)控制，最小控制周期250μs，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的高實(shí)時(shí)性和同步性，并按實(shí)時(shí)性分為多種系統(tǒng)模塊，可方便實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的重構(gòu)，根據(jù)不同用戶要求，實(shí)現(xiàn)分級(jí)開放，主cpu具有可重構(gòu)的控制功能庫(kù)，采用定制調(diào)度方式，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)控制功能選擇，適應(yīng)不同的工藝和特殊控制要求，輔cpu輔cpu的所有端口向用戶開放，可實(shí)現(xiàn)底層控制軟件的重構(gòu)，添加或替換原控制模塊，實(shí)現(xiàn)高度開放。

本發(fā)明具有以下有益效果：

在本發(fā)明提出的基于雙cpu+fpga架構(gòu)的開放式工業(yè)機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)方法中，主cpu可通過(guò)軟件控制模塊庫(kù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的常規(guī)運(yùn)動(dòng)控制功能，可通過(guò)開放式軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)、特殊功能模塊設(shè)計(jì)、二次開發(fā)等，實(shí)現(xiàn)低等級(jí)的開放，降低開發(fā)難度，滿足機(jī)器人產(chǎn)品的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性要求。輔cpu的所有端口向用戶開放，用于高級(jí)開發(fā)、性能測(cè)試、功能擴(kuò)展等，通過(guò)主cpu設(shè)置相關(guān)參數(shù)，輔cpu可接管整個(gè)系統(tǒng)的控制，也可在主cpu控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的附加控制(如補(bǔ)償，前饋等)，由于和主cpu共享系統(tǒng)變量(如位置、速度、電流、控制參數(shù)和控制輸出)，還可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制特性的在線測(cè)試、故障診斷以及功能擴(kuò)展等，由于共享數(shù)據(jù)采用同一地址編碼，輔cpu程序可以生成被主cpu程序直接執(zhí)行的機(jī)器代碼，實(shí)現(xiàn)功能模塊的快速移植和重構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中開放式機(jī)器人控制器硬件總體架構(gòu)。

圖2為本發(fā)明中雙端口開放式機(jī)器人控制器fpga結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3為本發(fā)明中開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)雙端口運(yùn)動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明所述的基于fpga和雙端口ram的開放式雙cpu機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括以下步驟：

1)搭建開放式機(jī)器人控制器的外部接口電路。包括hmi接口，用于連接手持編程示教器或者pc編程示教器到主cpu；擴(kuò)展通訊接口，用于連接外部擴(kuò)展設(shè)備/ros-i等到fpga；jtag接口，用于從pc端下載程序到輔cpu；以太網(wǎng)/工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口，用于連接pc至輔cpu；傳感器接口，用于連接各種外部傳感器到fpga；di/do/ai/ao/plc接口，用于連接外部i/o至fpga；伺服總線接口，用于連接伺服單元至fpga。通過(guò)各種外部接口電路滿足機(jī)器人控制器開放性的要求，方便各種通訊方式的建立和各種傳感器、i/o設(shè)備、伺服單元的接入。以fpga作為橋梁連接主/輔cpu和外部接口電路，通過(guò)fpga及其雙端口ram塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)cpu的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同控制。

2)在fpga中搭建接口控制模塊和內(nèi)部總線。接口控制模塊包括與擴(kuò)展通訊接口相連的擴(kuò)展總線控制模塊，與ram/rom相連的存儲(chǔ)器接口控制模塊，與di/do/ai/ao/plc接口相連的io控制接口模塊，與傳感器接口相連的傳感器接口控制模塊，與高速伺服總線接口相連的運(yùn)動(dòng)控制接口模塊。內(nèi)部總線包括內(nèi)部總線a和內(nèi)部總線b以及相應(yīng)的總線控制器，內(nèi)部總線a將各控制模塊與主cpu相連，并由內(nèi)部總線控制器a控制；內(nèi)部總線b將各控制模塊與輔cpu相連，并由內(nèi)部總線控制器b控制。內(nèi)部總線a與內(nèi)部總線b通過(guò)雙端口ram塊共享系統(tǒng)反饋?zhàn)兞?，各控制模塊均采用雙端口設(shè)計(jì)，并在兩個(gè)cpu中采用相同的地址編碼，為程序移植提供方便。

3)在主cpu和輔cpu中搭建系統(tǒng)軟件。主cpu和輔cpu的系統(tǒng)軟件均采用實(shí)時(shí)分層控制和模塊化設(shè)計(jì)方法，將軟件劃分為不同功能模塊。系統(tǒng)軟件通過(guò)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性分級(jí)控制，最小控制周期250μs，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的高實(shí)時(shí)性和同步性，并按實(shí)時(shí)性分為多種系統(tǒng)模塊，可方便實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的重構(gòu)，根據(jù)不同用戶要求，實(shí)現(xiàn)分級(jí)開放，主cpu具有可重構(gòu)的控制功能庫(kù)，采用定制調(diào)度方式，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)控制功能選擇，適應(yīng)不同的工藝和特殊控制要求，輔cpu輔cpu的所有端口向用戶開放，可實(shí)現(xiàn)底層控制軟件的重構(gòu)，添加或替換原控制模塊，實(shí)現(xiàn)高度開放。

實(shí)施例一

參考圖1，以接口擴(kuò)展為例對(duì)控制器的開放性進(jìn)行說(shuō)明。ros-i擴(kuò)展接口實(shí)施方案：ros-i的controllerlayer是機(jī)器人控制器的生產(chǎn)廠商接口層，通過(guò)本層接口和tcp協(xié)議，就可實(shí)現(xiàn)trajectory消息由上層ros-i傳送到底層控制器。通過(guò)設(shè)計(jì)解析程序，可以生成相應(yīng)的位置控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。這部分接口和功能，可以由控制器的輔cpu實(shí)現(xiàn)，為ros-i提供硬件控制器平臺(tái)，既可以和主cpu控制部分進(jìn)行對(duì)比研究，也可以充分利用ros-i的研究成果，提高控制器性能。工業(yè)總線擴(kuò)展接口實(shí)施方案：ethercat、powerlink、profinet等工業(yè)總線采用以太網(wǎng)物理接口，只是通信協(xié)議不同，本控制器設(shè)計(jì)2個(gè)以太網(wǎng)接口，連接到fpga，通過(guò)fpga編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同總線鏈路層協(xié)議的支持，通過(guò)軟件解析，實(shí)現(xiàn)與這些總線的通信。傳感器擴(kuò)展接口實(shí)施方案：市場(chǎng)上觸覺(jué)、視覺(jué)、力、語(yǔ)音等常用感知傳感器接口和通信協(xié)議均有不同，對(duì)常用傳感器的輸出信號(hào)電氣特性以及接線方式進(jìn)行分類，提供常用數(shù)字總線標(biāo)準(zhǔn)接口:rs485接口、can總線接口等，采用標(biāo)準(zhǔn)的串口協(xié)議或can協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知信號(hào)的接入。

實(shí)施例二

參考圖2及圖3，以性能測(cè)試及仿真技術(shù)為例對(duì)控制器的開放性進(jìn)行說(shuō)明。基于內(nèi)置信號(hào)的測(cè)試系統(tǒng)開放式接口技術(shù)實(shí)施方案：由于本控制器采用雙cpu結(jié)構(gòu)，主要控制參數(shù)、控制變量和系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)共享。輔cpu可按伺服控制周期捕獲機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部全部共享信號(hào)，包括：主cpu的各控制環(huán)輸出、電機(jī)位置、速度、電流等反饋信息以及機(jī)器人末端姿位信息，利用同步插補(bǔ)控制信號(hào)作為信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)最高采集頻率為4khz的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)以太網(wǎng)接口和pc實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，最高通信速度設(shè)計(jì)為1khz；通過(guò)設(shè)計(jì)pc端上位機(jī)軟件，采用高速數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，構(gòu)建高實(shí)時(shí)在線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程特征數(shù)據(jù)的采樣，研究控制器內(nèi)部信號(hào)、參數(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能的評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試與分析系統(tǒng)，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析、算法研究、標(biāo)定、故障診斷等提供基礎(chǔ)。將以太網(wǎng)通信協(xié)議開放，可以支持第三方應(yīng)用開發(fā)?？焖僭头抡婕夹g(shù)實(shí)施方案：matlab的simulink是一種常用的用于控制算法研究的工具，通過(guò)以太網(wǎng)接口將輔cpu和pc相連，通過(guò)研究matlab的硬件支持及通信接口技術(shù)，設(shè)計(jì)pc應(yīng)用程序，將simulink生成的算法代碼，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的編譯工具，生成機(jī)器碼，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)捷ocpu的特定存儲(chǔ)位置，并控制該程序的調(diào)用。輔cpu的程序設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷結(jié)構(gòu)，并機(jī)器人基本反饋模塊，讀入常用變量，通過(guò)接受pc程序數(shù)據(jù)，讀入到特定位置，再將中斷向量指向該位置，實(shí)現(xiàn)控制算法的定時(shí)中斷執(zhí)行。