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1 前言 新的科技與技術(shù)已經(jīng)讓現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精確度的水平。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，需求越來越大，其技術(shù)研究與發(fā)展越來越深入，這將提高工業(yè)生產(chǎn)率與產(chǎn)品質(zhì)量，為社會(huì)創(chuàng)造巨大的財(cái)富。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史工業(yè)機(jī)器人誕生于 20 世紀(jì) 60 年代， 20 世紀(jì) 90 年代得到迅速發(fā)展，現(xiàn)階段最先進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的技術(shù)領(lǐng)域。它是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)而產(chǎn)生的。在我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展從初步使用階段到目前自主開發(fā)階段的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)，勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。故工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展極為蓬勃與積極。 工業(yè)機(jī)器人是由操作機(jī)(機(jī)械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成;是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 京微雅格首創(chuàng)研發(fā)并已開始產(chǎn)業(yè)化的集FPGA/CPU/SRAM/ASIC/ADC/Flash為一體的“可定制可重構(gòu)可編程”多功能高性能低成本可配置應(yīng)用平臺(tái)(CAP),在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為多種行業(yè)的“萬(wàn)能芯片”，完全符合工業(yè)機(jī)器人行業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。 又當(dāng)CME 所獨(dú)創(chuàng)的可配制應(yīng)用平臺(tái)(CAP)來成為控制核心，可提供工業(yè)機(jī)器人等這類需要多品種，變化大，又批量的可重復(fù)編程應(yīng)用領(lǐng)域需求。 CAP架構(gòu)于此平臺(tái)上后可使工業(yè)機(jī)器人技術(shù)可實(shí)現(xiàn)于計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)運(yùn)算控制�？蓱�(yīng)對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又可使機(jī)器持續(xù)工作、高精確度、強(qiáng)化抗惡劣環(huán)境的能力，從而達(dá)到上述要求的優(yōu)點(diǎn)。 機(jī)器人技術(shù)是融合了許多學(xué)科的知識(shí)，國(guó)內(nèi)已廣泛把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段�！贝髮W(xué)生機(jī)器人大賽”、“機(jī)器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”等各種類型的機(jī)器人制作比賽，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智能機(jī)器人的知識(shí)。提升學(xué)生的開發(fā)技能水平,亦不乏眾多科技界人士參與學(xué)習(xí)與研究開發(fā)。 基于CME的可配制應(yīng)用平臺(tái)(CAP)設(shè)計(jì)的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的基本動(dòng)作、路徑跟蹤、自動(dòng)糾偏、拍攝影像、分析對(duì)象、探測(cè)環(huán)境、實(shí)時(shí)顯示距離等高階功能。 CME-M7可配制應(yīng)用平臺(tái)(CAP)是一款集成了更高級(jí)MCU內(nèi)核和高性能FPGA的智能型芯片，通過將FPGA、CPU、SRAM、ASIC、Flash、ADC、LVDS、高速PHY以及模擬單元等功能模塊集成在單一芯片上，CME-M7能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的“可定制可重構(gòu)可編程”設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了FPGA的SoC化。 CME-M7的FPGA部分采用高達(dá)12K容量的新型LP (Logic Parcel，邏輯包)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了FPGA與高級(jí)MCU內(nèi)核的通信接口，客戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需求在FPGA上實(shí)現(xiàn)不同類型接口。同時(shí)，CME-M7的高級(jí)MCU內(nèi)核結(jié)構(gòu)基于FPGA應(yīng)用也進(jìn)行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)與程序空間均動(dòng)態(tài)可調(diào)。 利用FPGA和CPU可定制可編程可擦寫可重構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一款核心產(chǎn)品同時(shí)滿足不同行業(yè)應(yīng)用，同類產(chǎn)品之間的差異化設(shè)計(jì)以提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 二、特性介紹與設(shè)計(jì)應(yīng)用 ? 實(shí)現(xiàn)了高性能MCU內(nèi)核與大容量FPGA的無(wú)縫結(jié)合 內(nèi)含192K Bytes 高速SRAM與外擴(kuò)DDR I/II/III內(nèi)存,并透過PBUS總線在內(nèi)部銜接MCU外設(shè)與FPGA,在信息或取與數(shù)據(jù)運(yùn)算之間透過FPGA做實(shí)時(shí)快速處理,并接續(xù)到MCU的高速運(yùn)算,達(dá)到及時(shí)的控制要求 ? FPGA邏輯單元高達(dá)12K 200 MHz最大頻率,高達(dá)11520個(gè)4輸入查找表，7680個(gè)DFF寄存器,144個(gè)EMB5K(4.5Kbit可配置雙端口DPRAM存儲(chǔ)器),可以充分可重復(fù)編程硬件,大容量高速度與強(qiáng)大重新編程重新配置能力,有效縮短產(chǎn)品上市時(shí)間與功能修正 ? 更高等級(jí)處理器 300 MHz最大頻率，1.25 DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)性能,單周期乘法指令和硬件除法指令,2個(gè)AHB主/從總線接口,可以在線調(diào)試模式,支持串行線調(diào)試接口(SWD)和JTAG接口 支持嵌入式Trace Macrocell?,’采用哈佛結(jié)構(gòu),1.25DMIPS/MHz和0.19Mw/MHz,Thumb-2指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能,內(nèi)置快速的終端控制器,中斷間的延遲時(shí)間降到只需6個(gè)CPU周期,從低功耗模式喚醒的時(shí)間只需6個(gè)CPU周期,與ARM7TDMI?相比運(yùn)行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45% ? 2個(gè)12位1MSPS ADC模塊 可充分應(yīng)用于環(huán)境偵測(cè),動(dòng)作位置定位感知,搭配于FPGA的邏輯單元,可以實(shí)現(xiàn)不經(jīng)由MCU即可達(dá)到硬件運(yùn)算修正的要求,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速運(yùn)算控制要求 ? 豐富的I/O資源與封裝，以硬核形式整合以太網(wǎng)、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外設(shè) 可以同時(shí)支持超過80組伺服電機(jī)控制,遠(yuǎn)超過一般MCU的控制極限,讓每單元都獨(dú)立運(yùn)作,透過以太網(wǎng)、USB、CAN、 PCI,PCI-X可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊的通訊,甚至連接計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)都不是問題 ? 高精度PLL 及時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò) 4個(gè)PLL，支持倍頻、分頻、相移、de-skew,8個(gè)外部時(shí)鐘輸入，1個(gè)外部晶體時(shí)鐘輸入，16個(gè)de-skew全局時(shí)鐘，高精度的高速時(shí)鐘源可以讓內(nèi)部時(shí)鐘可以達(dá)到300MHZ的穩(wěn)定運(yùn)算 ? 靈活的乘加器實(shí)現(xiàn)DSP 嵌入式DSP ,- 48個(gè)18x18或 96個(gè)12x9 DSP(MAC)，可以組合成浮點(diǎn)運(yùn)算器，豐富的乘累加器多達(dá)32組，可以讓運(yùn)算更簡(jiǎn)捷迅速與精確，機(jī)器人控制再也不需要額外DSP芯片即可達(dá)成 ? 基于Efuse和AES的保密機(jī)制 配置訊息的可加密，難破解，讓使用者的科研開發(fā)成果得以保持優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保持產(chǎn)品價(jià)值優(yōu)勢(shì) ? 超高系統(tǒng)性價(jià)比 基于高度整合于單一芯片,有性能高 體積小 價(jià)格低的持續(xù)優(yōu)勢(shì) CME-M7產(chǎn)品可應(yīng)用在機(jī)器人控制中所需的核心如工業(yè)控制機(jī)器人、安防監(jiān)控機(jī)器人、和家居機(jī)器人等領(lǐng)域。讓機(jī)器人工能在設(shè)計(jì)上變得更簡(jiǎn)單又強(qiáng)大。 三、CME-M7硬件設(shè)計(jì)方案總成 機(jī)器人總體構(gòu)成 如圖1所示，以CME-M7微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進(jìn)行處理，控制機(jī)器人的運(yùn)行。 圖1 機(jī)器人總體構(gòu)成 人型機(jī)器人的整體規(guī)劃 人形機(jī)器人是一種智能化機(jī)器人，在機(jī)器的各活動(dòng)關(guān)節(jié)配置有多達(dá)16個(gè)服務(wù)器，具有16個(gè)自由度，特顯靈活，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動(dòng)作。它還配一套設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)，通過自身智能編程軟件便能自動(dòng)地完成整套動(dòng)作。 系統(tǒng)電源供電部分 由于機(jī)器人電機(jī)，傳感器及系統(tǒng)采用+5V供電，CPU采用core 1V & I/O 3.3V供電,電源部分均考須慮電機(jī)功率和整體質(zhì)量及摩擦阻力問題，電源我們采用鋰電池組串聯(lián)與同步降壓處理，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)速部分 機(jī)器人需控制在一個(gè)合適的速度運(yùn)行，速度快，因MCU對(duì)各傳感器傳來的信號(hào)有一個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，小車極易偏離軌道,此時(shí)需要搭配FPGA電路來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算處理后再提供給MCU。伺服的速度是由直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,經(jīng)由級(jí)聯(lián)減速齒輪進(jìn)行降速后得到旋轉(zhuǎn)與更大扭力，改變伺服齒輪的控制角度通常采用調(diào)脈寬、調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡(jiǎn)單，但需要模擬輸出, 調(diào)脈寬方式需要FPGA邏輯搭成PWM控制模塊,在CME-M7容易實(shí)現(xiàn)。 可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào)，F(xiàn)PGA容易生成穩(wěn)定且快速的脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換產(chǎn)生50Hz(周期是20ms)的信號(hào)，但須注意運(yùn)放器件的選擇有較高要求。 若只用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，此時(shí)會(huì)因?yàn)閱纹瑱C(jī)的指令周期不同與程序運(yùn)行間隔不同而有不準(zhǔn)確性,故采用CME-M7 FPGA PWM來直接控制,是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠,再由MCU下達(dá)參數(shù)給FPGA進(jìn)行伺服的角度設(shè)置。 圖示：舵機(jī)的控制要求 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。 當(dāng)控制信號(hào)由輸入纜線進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)電路。當(dāng)電機(jī)位置與定位器不一致時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的正反轉(zhuǎn)電路輸出正反轉(zhuǎn)訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 舵機(jī)內(nèi)安裝了一個(gè)電位器(或其它角度傳感器)檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。 舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。 簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出;電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度;電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。 舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示： 工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出;電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度;電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。 舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90度到+90度的位置。如下圖所示： 利用CME-M7高性能硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡,三軸傳感器獲得的姿態(tài)資料經(jīng)過的FPGA與DSP直接運(yùn)算后,傳遞給PWM生成控制訊號(hào),達(dá)成即時(shí)控制要求。 |
