关键字 |
| Spartan-III FPGA芯片,伺服电机,逆运动学,PWM信号,Xilinx硬件描述语言(VHDL)。 |
介绍 |
| 机械臂提供类似的功能像人类手臂取决于它能提供的自由度。运动控制系统的控制过程中起着重要作用等不同类型的工业自动化设备机械臂机械手[1]。多轴运动控制系统需要许多功能来执行复杂的任务所需的工业机器人非常迅速和准确。手臂控制器是工业应用的具有挑战性的领域。机器人控制是一个令人兴奋的、复杂的、高挑战的研究工作近年[2]。我们将使用Spartan-III FPGA芯片设计机械手臂控制器。而不是DSP控制器FPGA芯片被广泛使用,因为它简单,灵活性、低功耗和高的密度。FPGA产生运动控制信号即PWM控制机械臂的运动控制信号。本文用伺服电机来驱动机械臂。我们将使用Spartan-III FPGA控制伺服电机。 As a motor requires high voltage to operate so a PWM signal will not be able to drive it. Hence a driver circuitry is used to drive the motor [3]. This position information is send back to the FPGA controller so it knows how much farther the motor needs to be turned. In this paper robot consists of an arm with four degree of freedom (DOF). Entire system bounded by hardware and software design. |
| 本文代表几个函数,以便准确地执行复杂的任务所需的工业机器人。这些包括逆运动学、控制信号生成和速度控制。传统数值方法对这些函数复杂的浮点计算。需要复杂的乘法、加法和三角函数来执行计算逆运动学。运动学逆解的计算量,提供的IP核(知识产权核心)Xilinx公司提供三角函数非常有用和所有浮点操作。 |
相关工作 |
| 在论文[1],多轴运动控制芯片开发multiple-axis运动控制系统如机械臂机械手。这个芯片设计使用硬件描述语言(VHDL)和一个FPGA上实现的,因此允许高度采样、准确、灵活、紧凑,低功耗,低成本的运动控制系统。本文考虑到速度剖面生成模块,插值计算模块和逆运动学计算模块。提出multiple-axis运动控制芯片包含一个外部接口,一个插值计算器,逆运动学计算器,时钟发生器,速度剖面发生器,脉冲积分器,一个反馈计数器,一个PID控制器,数据转换器。这个multiple-axis运动控制系统的实验结果表明,提出的multiple-axis运动控制芯片的性能,需要有效地执行给定的任务。 |
| FPGA运动控制集成电路允许五轴铰接的全数字运动控制机器人手臂,如逆运动学计算,点对点运动控制器、位置和速度控制器,PWM产生电路都集成,实现在一个FPGA芯片。五轴铰接机器人坐标系的联系的使用Denavit-Hartenberg公约。三菱RV-M1微机器人手臂的运动学参数用于论文[2]。 |
系统描述 |
| 答:FPGA控制器 |
| 我们是usingSpartan-III FPGA芯片作为控制器在我们的项目。它是系统的主要部分,通过它所有的机器人系统的运动控制。编程的FPGA将包含硬件描述语言(VHDL)的代码,将关联输入机械手臂的运动。FPGA系统是灵活的,因为它可以很容易地重新配置,对许多不同的应用程序重用的机器人。我们将使用fpga控制电机驱动电路。FPGA控制器用于生成方向和脉冲旋转机械臂所需的数量在给定角度。该控制方案已使用XILINX FPGA实现。 |
| b信号发生器 |
| 在我们的项目我们使用脉冲PWM信号控制电机需要角度的目的。脉冲宽度调制也被称为脉冲宽度调制,样品的消息信号用于不同载体单个脉冲的持续时间。但在我们的例子中消息信号将电机轴所需的位置。术语工作周期描述的比例在时间的时间。每个电机有不同的PWM信号按照电机的要求。PWM信号控制系统运动和机械臂的角度。 |
| c .伺服电机 |
| 伺服电机是世界上非常有用的机器人由于其高转矩和精确的运动[4]。伺服电机工作在一个封闭的循环。伺服电机的闭环极大地提高控制系统的精度。在伺服电机轴的角度只能转向有限的数量不同的PWM脉冲宽度,FPGA系统可以供应。 |
| 伺服电机是一种自动装置,为运动控制提供纠错的帮助。“伺服”这个词用于系统。这意味着一个闭环反馈机制意味着用于位置控制伺服电机。它结合了AC / DC马达和位置传感器,如数字编码器。 |
| 在电位器用于伺服电机位置监控。电位计连接到伺服电机的齿轮,并受到控制的监控电路。控制电路监测电位计和确定当前汽车角然后它会与所需的角和将生成适当的控制信号来实现所需的角位置。一般伺服电机提供0°、1800°之间的角运动。 |
逆运动学计算 |
| 答:逆运动学 |
| 的变换机械手末端执行器的位置和姿态从笛卡尔坐标到关节坐标被称为逆运动学问题[5]。机械臂末端执行器控制行动的形式描述笛卡尔坐标系,但这里使用马达,手臂的运动角形式。所以笛卡尔坐标转化为关节角是必要的,它可以通过逆运动学。解决逆运动学问题的方法和组合使用。每种方法都有自己的优点和缺点,所以,按照要求结合在一起。逆运动学问题解决方案的主要方法是代数方法和迭代方法。本文用代数方法计算关节的角度对应于给定坐标机械臂的顶端。 |
| b角方程 |
| 铰接式机器人机械手的逆运动学变换从笛卡儿空间R³机器人机械手的坐标(x, y, z)关节空间R4(θ1、θ2θ3,θ4)。 |
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浮点 |
| 浮点表示法有几个优势解决点表示。浮点数支持大范围的值,因为我们得到准确和精确的结果。 |
| 浮点表示各种数量的比特。浮点表示法——最常见的解决方案基本上用科学记数法表示实数。浮点数在科学记数法表示,一小部分,指数一定基数的[6]。设置符号位1 - 0为阳性,根据原始编号的迹象。 |
| 单精度浮点数 |
| 单精度浮点数为32位/数量。浮点数支持大范围的值。 |
| 指数范围(-128、127): |
| 大概的范围是:10-38年到1038 |
| 单精度浮点数的例子 |
| 让我们试着表示十进制数(9.5)10日在IEEE浮点格式。步骤: |
| •操作数的二进制表示:1001.1 |
| •操作的规范化表示:1.0011×2³ |
| •符号位= 0 |
| •有偏见的指数:127 + 3 = 13010 = 100000102 |
| •尾数= 00110000000000000000000 |
| •操作数的IEEE表示: |
| •一个= 0 10000010 00110000000000000000000 |
知识产权(IP)的核心 |
| 复杂的运动学逆解的计算量和插值,Xilinx公司提供的IP核是非常有用的,提供了三角函数和所有浮点操作。这些功能已经由Xilinx提供他们的用户易于编程,代码不能被编辑。IP核是一个可重用的逻辑单元,可以用作构建块芯片或逻辑设计。 |
| 有一些数学运算需要执行复杂的数学公式,例如,三角函数和根数等。有数学函数和逻辑函数可作为IP核。 |
仿真结果 |
| 三角函数和乘法、加法、减法等是用角仿真结果。这里使用Xilinx IP核心和VHDL编程语言模拟。 |
| 图4显示了仿真结果的转换解决浮点。实数是25。 |
| 图5显示了浮点乘法繁殖的数量是12和3,并得到乘法36浮点格式的结果。 |
| 图6和图7表示浮点格式的三角函数。 |
| 图8显示了量化函数用于角方程模拟。 |
| 图9显示了机械臂的仿真结果角方程在单精度浮点格式。这里单精度浮点格式使用角度计算,因为使用这种格式我们得到准确和精确的角方程。 |
结论 |
| 借助仿真的角度,得出输入宽度坐标的32位,32位精度。速度控制的机械臂可以通过改变每个电机的PWM信号的频率在每一个关节。 |
数据乍一看 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
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引用 |
- 荣格英国曹Quy Ngoc勒,Jae WookJeon“fpga Multiple-Axis运动控制芯片”IEEE反式。州的电子卷。56岁的3号,2009年3月。
- Gua-ShiehShu Ying-Shieh宫,“发展fpga机械臂运动控制集成电路”,pg.no。1397 to1402, IEEE 2005。
- pankajBande先生,太太UrmilaMeshram (Thulkar)公共广播Dwaramwar先生和夫人r . r . Harkare“机器人手臂控制器使用FPGA”,IEEEimpact2009年。
- VivekRamakrishnan NalamwarSanchitGopal,拉胡尔Ashok和s . Moorthi”基于FPGA的直流伺服电机控制远程复制ofMovements手臂手术”,IEEE 2011,pg.no.671 - 675。
- Rajesh Pattimi AddankiPurna拉梅什,“高速双精度浮点乘法器”,国际期刊的先进inComputer和通信工程的研究2012年11月,技术问题9,。
- 克里希纳·贾亚特里·克里希纳Kumari诉来自,“使用硬件描述语言(Vhdl)浮点乘法器的设计”,国际工程杂志研究和开发问题3,卷。10日,2014年3月。
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