|
1 前言 新的科技與技術已經讓現階段工業機器人實現高精確度的水平。機器人的應用越來越廣泛，需求越來越大，其技術研究與發展越來越深入，這將提高工業生產率與產品質量，為社會創造巨大的財富。工業機器人的發展歷史工業機器人誕生于 20 世紀 60 年代， 20 世紀 90 年代得到迅速發展，現階段最先進產業化的機器人是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的技術領域。它是為了適應制造業規模化生產，解決單調、重復的體力勞動和提高生產質量而代替人工作業而產生的。在我國工業機器人發展從初步使用階段到目前自主開發階段的轉變，促進了我國制造業，勘探業等行業的發展。故工業機器人技術發展極為蓬勃與積極。 工業機器人是由操作機(機械本體) 、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成;是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。 京微雅格首創研發并已開始產業化的集FPGA/CPU/SRAM/ASIC/ADC/Flash為一體的“可定制可重構可編程”多功能高性能低成本可配置應用平臺(CAP),在經濟建設的各個領域具有廣泛的應用，被譽為多種行業的“萬能芯片”，完全符合工業機器人行業新的發展趨勢。 又當CME 所獨創的可配制應用平臺(CAP)來成為控制核心，可提供工業機器人等這類需要多品種，變化大，又批量的可重復編程應用領域需求。 CAP架構于此平臺上后可使工業機器人技術可實現于計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術運算控制。可應對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又可使機器持續工作、高精確度、強化抗惡劣環境的能力，從而達到上述要求的優點。 機器人技術是融合了許多學科的知識，國內已廣泛把機器人制作比賽作為創新教育的戰略性手段。”大學生機器人大賽”、“機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽，培養學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識。提升學生的開發技能水平,亦不乏眾多科技界人士參與學習與研究開發。 基于CME的可配制應用平臺(CAP)設計的機器人，實現了機器人的基本動作、路徑跟蹤、自動糾偏、拍攝影像、分析對象、探測環境、實時顯示距離等高階功能。 CME-M7可配制應用平臺(CAP)是一款集成了更高級MCU內核和高性能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能夠滿足不同應用場合的“可定制可重構可編程”設計需求，實現了FPGA的SoC化。 CME-M7的FPGA部分采用高達12K容量的新型LP (Logic Parcel，邏輯包)結構，優化了FPGA與高級MCU內核的通信接口，客戶可根據設計需求在FPGA上實現不同類型接口。同時，CME-M7的高級MCU內核結構基于FPGA應用也進行了優化，數據與程序空間均動態可調。 利用FPGA和CPU可定制可編程可擦寫可重構的優勢，實現一款核心產品同時滿足不同行業應用，同類產品之間的差異化設計以提高競爭優勢。 二、特性介紹與設計應用 ? 實現了高性能MCU內核與大容量FPGA的無縫結合 內含192K Bytes 高速SRAM與外擴DDR I/II/III內存,并透過PBUS總線在內部銜接MCU外設與FPGA,在信息或取與數據運算之間透過FPGA做實時快速處理,并接續到MCU的高速運算,達到及時的控制要求 ? FPGA邏輯單元高達12K 200 MHz最大頻率,高達11520個4輸入查找表，7680個DFF寄存器,144個EMB5K(4.5Kbit可配置雙端口DPRAM存儲器),可以充分可重復編程硬件,大容量高速度與強大重新編程重新配置能力,有效縮短產品上市時間與功能修正 ? 更高等級處理器 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AHB主/從總線接口,可以在線調試模式,支持串行線調試接口(SWD)和JTAG接口 支持嵌入式Trace Macrocell?,’采用哈佛結構,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,內置快速的終端控制器,中斷間的延遲時間降到只需6個CPU周期,從低功耗模式喚醒的時間只需6個CPU周期,與ARM7TDMI?相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節省45% ? 2個12位1MSPS ADC模塊 可充分應用于環境偵測,動作位置定位感知,搭配于FPGA的邏輯單元,可以實現不經由MCU即可達到硬件運算修正的要求,實現實時高速運算控制要求 ? 豐富的I/O資源與封裝，以硬核形式整合以太網、USB、CAN、DMA控制器以及DDR控制器等外設 可以同時支持超過80組伺服電機控制,遠超過一般MCU的控制極限,讓每單元都獨立運作,透過以太網、USB、CAN、 PCI,PCI-X可以實現對不同模塊的通訊,甚至連接計算機與網絡都不是問題 ? 高精度PLL 及時鐘網絡 4個PLL，支持倍頻、分頻、相移、de-skew,8個外部時鐘輸入，1個外部晶體時鐘輸入，16個de-skew全局時鐘，高精度的高速時鐘源可以讓內部時鐘可以達到300MHZ的穩定運算 ? 靈活的乘加器實現DSP 嵌入式DSP ,- 48個18x18或 96個12x9 DSP(MAC)，可以組合成浮點運算器，豐富的乘累加器多達32組，可以讓運算更簡捷迅速與精確，機器人控制再也不需要額外DSP芯片即可達成 ? 基于Efuse和AES的保密機制 配置訊息的可加密，難破解，讓使用者的科研開發成果得以保持優勢，進而保持產品價值優勢 ? 超高系統性價比 基于高度整合于單一芯片,有性能高 體積小 價格低的持續優勢 CME-M7產品可應用在機器人控制中所需的核心如工業控制機器人、安防監控機器人、和家居機器人等領域。讓機器人工能在設計上變得更簡單又強大。 三、CME-M7硬件設計方案總成 機器人總體構成 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，進行處理，控制機器人的運行。 圖1 機器人總體構成 人型機器人的整體規劃 人形機器人是一種智能化機器人，在機器的各活動關節配置有多達16個服務器，具有16個自由度，特顯靈活，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動作。它還配一套設計優良的控制系統，通過自身智能編程軟件便能自動地完成整套動作。 系統電源供電部分 由于機器人電機，傳感器及系統采用+5V供電，CPU采用core 1V & I/O 3.3V供電,電源部分均考須慮電機功率和整體質量及摩擦阻力問題，電源我們采用鋰電池組串聯與同步降壓處理，功耗小、體積小和質量輕，安裝較為方便。 電機驅動及PWM調速部分 機器人需控制在一個合適的速度運行，速度快，因MCU對各傳感器傳來的信號有一個響應、處理時間，小車極易偏離軌道,此時需要搭配FPGA電路來實現實時運算處理后再提供給MCU。伺服的速度是由直流電機轉速控制,經由級聯減速齒輪進行降速后得到旋轉與更大扭力，改變伺服齒輪的控制角度通常采用調脈寬、調壓、調磁等方式來實現。其中，調壓方式原理簡單，但需要模擬輸出, 調脈寬方式需要FPGA邏輯搭成PWM控制模塊,在CME-M7容易實現。 可以使用FPGA、模擬電路、單片機來產生舵機的控制信號，FPGA容易生成穩定且快速的脈寬調制信號的脈寬變換產生50Hz(周期是20ms)的信號，但須注意運放器件的選擇有較高要求。 若只用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為 PWM信號輸出到舵機，此時會因為單片機的指令周期不同與程序運行間隔不同而有不準確性,故采用CME-M7 FPGA PWM來直接控制,是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可靠,再由MCU下達參數給FPGA進行伺服的角度設置。 圖示：舵機的控制要求 舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。 當控制信號由輸入纜線進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉電路。當電機位置與定位器不一致時,電機驅動芯片的正反轉電路輸出正反轉訊號驅動電機，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。 舵機內安裝了一個電位器(或其它角度傳感器)檢測輸出軸轉動角度，控制板根據電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。 舵機的主體結構如下圖所示，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。 簡單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅動電機轉動;齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出;電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度;電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。 舵機是一個微型的伺服控制系統，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源的控制脈沖，并驅動電機轉動;齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出;電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度;電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度。 舵機的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應-90度到+90度的位置。如下圖所示： 利用CME-M7高性能硬件實現機器人的動態平衡,三軸傳感器獲得的姿態資料經過的FPGA與DSP直接運算后,傳遞給PWM生成控制訊號,達成即時控制要求。 |
