毕业论文（设计）基于FPGA的串联机器人控制系统设计.docxVIP

基于FPGA的串联机器人控制系统设计摘要:文章介绍了通过PROE设计了5自由度机械手硬件机械结构模型，构建了基于FPGA嵌入式处理器的NiosII的SOPC架构系统的软件平台，设计了fpga控制器与步进电机驱动模块，并且分析了机械臂运动学的正解，逆解问题，通过VC，MATLAB等工具实现了机械臂的最优解的选取，轨迹规划的仿真，以及运用Robotics Toolbox工具箱进行了正逆运动学仿真，验证了算法可行性和求解的正确性。关键词：fpga；NIOS II;,MATLAB;机械臂引言 机械臂的控制方式主要有3种方案，第一种是直接使用PC单独完成，以PC机作为硬件平台，使用VC软件来实现机械臂的算法控制，PC需要较高的硬件配置要求。第二种是PC机和运动控制卡的结合方案，控制卡安装在PC机中，处理器完成部分控制算法，主要任务有运动控制卡完成，控制系统比较稳定。第三中是机器人控制模块与PC机的结合，模块化具有高效，可移植性好，但价格昂贵。本文提出的控制方式是通过FPGA作为硬件平台，在FPGA 里完成算法控制，将控制结果输出到驱动模块实现机械臂的试试控制，由于FPGA具有高效，并行执行等特点对机器臂的控制具有很好的效果。1 硬件结构模型的构建 1.1机械臂模型建立 5自由度机械臂的机械结构系统组成包括：机身、大臂、小臂、手腕和末端操作器（手抓）等5部分。机械臂机械结构模型如图1所示图1 机械臂机械结构模型机械臂一般由若干关节和连杆串联组成，一般采用D-H参数法来确定每个关节上的坐标姿态和相邻两个坐标系之间的相对平移距离和旋转角度。[王强]机器人各关节坐标关系及机构简图如图2所示。在D-H参数由连杆长度a、连杆扭角、连杆距离和连杆转角构成。D-H参数表格如图3所示。图2机器人坐标关系表1.1 机械臂D-H参数连杆a范围i=100-900~135i=20100-90~90i=309.50-90~90i=403.2-90-90~90i=514.500-90~901.2串联机械臂工作空间的分析和仿真机械臂的工作空间是机械臂的手腕中心或末端操作器所能达到空间点位置和合集，它是一个最重要的指标用于衡量串联机械臂的工作能力。它的计算是复杂的，也是多样的，主要有解析法、图解法、数值法和仿真法，其中比较常用的方法是数值法中的蒙特卡洛法，和采用MATLAB中SimMechanics工具箱进行工作空间的分析计算，而采用仿真法实现起来更快捷，方便。利用机器人坐标关系图和D-H参数建立SimMechanics模型，设置各关节转动驱动,分别是角度、角速度、角加速度。[机械设计，徐卫兵] SimMechanics模型如图3所示。图3 SimMechanics模型仿真结果如图4。图4 机械臂工作空间三维图2系统方案的设计2.1系统工作流程 5自由度串联机械臂控制系统方案比较复杂，具体方案是数据采集模块采集到起始位姿和终止位姿后通过串口发送到FPGA 内部，在FPGA内部实现运动学的逆解，解的最优化，然后进行轨迹规划发送到脉冲驱动模块驱动机械臂。工作流程图如图5所示。图5系统工作流程图 由于在FPGA内部采用Verilog HDL实现运动学逆解，最优化，矩阵运算等运算非常复杂，因此采用FPGA 内部的Nios II软核处理器采用C语言处理复杂运算，脉冲驱动模块等简单运算可以运用Verilog HDL硬件语言实现，两种方式相互结合会使方案实现起来可行性更高。2.2 SOPC系统的构建 SOPC 是片上可编程系统，能把整个 放到一块硅片上，是一种特殊的嵌入式系统 ，NIOS II 是一个用户可配置癿途用32位RISC嵌入弅处理器，它是SOPC（System On a Programmable Chip,片上可编程系统）癿核心。运用Quartus软件开发工具的的SOPC Builder可以很方便的定义一个我们需要的系统。首先需要定义软核时钟100MH,接着需要建立Nios II Processor，主要包括CPU模块，SDRAM模块，EPCS控制器，SYSTEM ID ,JTAG UART这是SOPC系统最基本组成部分，依据本系统需要，还需要构建PIO口用于脉冲输出，和RS232口用于数据接收,还需构建一个PLL锁相环对时钟倍频。系统构建的SOPC系统如图6所示。系统构建的Nios II的RTL视图如图7所示。图6 SOPC系统图7系统RTL视图2.21 自定义Avalon-MM总线 Avalon总线由ALTERA公司提出，用于在基于FPGA的片上系统中连接片内处理器和片内外设的总线结构。?连接到Avalon总线的设备分为主从设备，并各有其工作模式。Avalon总线的读/写时序是指外设之间产生的一次读/写数据总线接口各个信号之间的时序关系。在clk的第一个上升沿，Av