基于zynqsoc的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(參考版)
2025-06-22 12:43本頁(yè)面
【正文】 其中包括 Xilinx ISE Design Suit 開(kāi)發(fā)環(huán)境、雙電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，ZedBoard、 鋰電池等。能夠使 ARM 輕松訪問(wèn) FPGA 的 IP 核等資源。操作界面如圖 所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如下 所示。OpenHW12 基于 ZYNQ SoC 的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)17圖 5. 2 實(shí)現(xiàn)及處理結(jié)果 總結(jié)我們之前的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)使用兩個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)這種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但是由于使用片外異步總線 EMC，使數(shù)據(jù)傳輸速率受限，使軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮到極致，現(xiàn)在使用 ZED 開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)片內(nèi) AMBA AXI 總線，可以提高通信速率，對(duì)于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)也很有促進(jìn)，同時(shí)由于之前沒(méi)有實(shí)現(xiàn) USB 主機(jī)和 android 設(shè)備進(jìn)行通訊，現(xiàn)在也可以在這塊 zed 開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，這樣速度更快更穩(wěn)定，我們就可以將電機(jī)的人機(jī)交互直接在 android 上實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于 zynq 上有 cortexA9 雙核，我們可以在其中一個(gè)核心上運(yùn)行GPOS，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互和信息交互，zynq 內(nèi)核的 arm 和 fpga 可以通過(guò)內(nèi)部總線方式進(jìn)行通訊，這樣速度更加快速，我們就可以做更多擴(kuò)展，以太網(wǎng)部分我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)用于監(jiān)控這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和進(jìn)行調(diào)試。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制能力，我們還實(shí)現(xiàn)了小型移動(dòng)機(jī)器人的循線控制，通過(guò)攝像頭采集賽道上的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 進(jìn)行圖像預(yù)處理，F(xiàn)PGA 通過(guò)外部中斷的方式通知 ARM 控制器圖像預(yù)處理完畢， ARM就從定義好的存儲(chǔ)位置獲取處理后的圖像，將其進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算，獲取路徑信息，給出合適的速度和角度，然后通過(guò)對(duì) FPGA 定義好的運(yùn)動(dòng)控制寄存器設(shè)定每個(gè)電機(jī)的速度，這樣形成一個(gè)周期性的控制，就可以實(shí)現(xiàn)循線的目標(biāo)。同時(shí)由于 ARM 控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在 ARM 端可以實(shí)現(xiàn)一個(gè) FPGA 不好實(shí)現(xiàn)的控制算法并且保證算法的實(shí)時(shí)性，同時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò) ARM 的以太網(wǎng)接口連接到小型 USB 供電的路由器上，建立一個(gè)小型的無(wú)線局域網(wǎng)，并且已經(jīng)在 android 上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)OpenHW12 基于 ZYNQ SoC 的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)16應(yīng)用，可以通過(guò) wifi 連接到這個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，來(lái)和 ARM 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，由于我們自己定義好了一套基于 TCP 和 UDP 的 傳輸協(xié)議，其中 TCP主要負(fù)責(zé)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，用于發(fā)送控制命令，UDP 主要用于傳輸大量的數(shù)據(jù)，這里我們將攝像頭采集到的實(shí)時(shí)圖像返回到 android 客戶端，并且可以實(shí)時(shí)顯示。我們已經(jīng)在 FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙閉環(huán)控制，攝像頭采集的圖像信息的預(yù)處理，以及小型黑白字符點(diǎn)陣液晶的控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 FPGA 與 ARM 系OpenHW12 基于 ZYNQ SoC 的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)15統(tǒng)的片外 EMC 總線。同時(shí)，非常有商業(yè)前景的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)TOPPERS 在 ARM7 上的移植可以豐富系統(tǒng)的應(yīng)用及加強(qiáng)實(shí)時(shí)性。隨著基于 FPGA 的 SOPC 技術(shù)的發(fā)展，使用 SOPC 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可重配置的機(jī)器人控制器也成為了機(jī)器人平臺(tái)研究的熱點(diǎn)。結(jié)果顯示，軟硬件協(xié)同處理架構(gòu)大大提升了系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法更加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率高，并且易于根據(jù)用戶需求開(kāi)發(fā)定制型服務(wù)和擴(kuò)展功能。系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可應(yīng)用與不同場(chǎng)合。用戶上位機(jī)操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可利用上位機(jī)調(diào)試和監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)。（4）系統(tǒng)搭載 Linux 多核操作系統(tǒng)和 TOPPERS/FMP 多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。能夠精確控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。具體到該平臺(tái)上就是實(shí)現(xiàn)左右兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)多軸串聯(lián)控制器實(shí)現(xiàn)消除齒輪間隙（消隙） 、增加帶寬等高性能驅(qū)動(dòng)。（2）實(shí)現(xiàn)多軸控制算法及電機(jī)對(duì)象狀態(tài)觀測(cè)，可驅(qū)動(dòng)至少 2 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行于串聯(lián)連接狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中綠色齒輪由左右兩臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，黃色齒輪由中間電機(jī)帶動(dòng)。4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)效果本項(xiàng)目利用基于 Xilinx Zynq7000 系列處理器的 ZED 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多軸串聯(lián)控制系統(tǒng)以及多電機(jī)高性能同步控制系統(tǒng)。所以實(shí)現(xiàn)這些算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模糊控制器以及多個(gè)電機(jī)的電流、速度閉環(huán)控制器是綽綽有余的。圖 控制器結(jié)構(gòu)圖對(duì)于 PSO 算法，我們考察了之前論文的實(shí)現(xiàn)情況，使用 Xilinx Ⅱ Pro 系列 FPGA XC2VP30 即可實(shí)現(xiàn) 5 并行的的 PSO。我們決定使用者粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm optimization，PSO）
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