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基于FPGA的遥操作机器人运动控制器的研究

作　者: 王庆修
导　师: 戴炬
学　校: 山东科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 遥操作机器人运动控制器 PID控制算法 FPGA Nios II
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 45次
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内容摘要

机器人的运动控制器是机器人的一个非常重要的组成部分。随着一些新技术的出现和发展,机器人的控制技术也得到了整体的进步。本论文以山东科技大学机器人研究中心承担的国家863计划课题“配电带电作业机器人”为立项背景,通过对机器人运动控制的研究,设计了一款基于FPGA的遥操作机器人运动控制器,实现了网络遥控机器人手臂的运动。本论文采用D-H表示法建立了带电作业机器人机械臂的运动学模型。提出了遥操作机器人的总体系统结构,并对主控芯片的内部组成做了简要分析。采用FPGA来充当的主控功能的运动控制结构,在FPGA内部主要是实现了NoisⅡ处理器、Avalon总线、PWM核、编码读取器核及网络控制器核等。通过SOPC系统的构建,将各个功能组件挂载到Avalon总线上构成伺服控制主芯片。其中对PWM组件、光电编码组件和网络控制组件进行了详细的分析和实现。通过对伺服电机控制信号、反馈信号的研究实现了基于FPGA的伺服电机控制所需要的脉冲发生IP核和光电编码器读取IP核。硬件的实现主要是FPGA运动控制器与伺服驱动器之间接口电路,主要包括PWM信号、光电编码反馈信号和控制信号接口与伺服驱动器的连接。针对控制台与运动控制器之间信息传递,本文采用了外接网络芯片来实现。系统的软件设计主要分为控制器的控制软件和控制台监控软件进的实现,两者基于网络通信来交换信息。控制器通过网络接收控制台发送的运动命令从而完成相应的动作并反馈给控制台相应的运行状态。控制器的控制软件采用了梯形曲线控制算法对速度的柔性实现,定时器中断程序主要是对光电编码信号进行采样和给定值进行比较,经过PID控制算法产生脉冲序列来驱动电机。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-24
  1.1 基于网络的遥操作机器人概述  12-17
  1.2 运动控制系统及其发展  17-19
  1.3 SOPC及其技术  19-20
  1.4 课题背景和研究内容  20-23
  1.5 本文的主要内容  23-24
2 带电作业机器人机械臂运动学建模  24-30
  2.1 带电作业机器人  24-25
  2.2 带电作业机械手运动学模型的建立  25-28
  2.3 带电作业机械臂运动学正解  28-29
  2.4 本章小结  29-30
3 机器人控制系统总体设计  30-38
  3.1 机器人控制系统总体结构  30-31
  3.2 控制器片上系统的总体介绍  31-33
  3.3 控制器软件平台的建立  33-34
  3.4 系统主控芯片的选择和SOPC开发流程  34-37
  3.5 本章小结  37-38
4 基于SOPC系统实现  38-60
  4.1 Nios II处理器及Avalon总线简介  38-39
  4.2 遥控运动控制器主芯片SOPC系统构建  39-40
  4.3 PWM核实现  40-43
  4.4 光电编码读取器实现  43-48
  4.5 以太网控制器的实现  48-59
  4.6 本章小结  59-60
5 基于FPGA的运动控制器的硬件实现  60-67
  5.1 运动控制器的整体构成  60-61
  5.2 核心板存储器的选择  61-62
  5.3 运动控制器与伺服电机的接口电路  62-65
  5.4 控制器与控制台通信接口电路  65-66
  5.5 本章小结  66-67
6 网络遥控运动控制器系统软件  67-75
  6.1 运动控制器主程序软件  67-68
  6.2 定时器中断服务程序  68-72
  6.3 网络通信程序的实现  72-73
  6.4 控制台程序的实现  73-74
  6.5 本章小结  74-75
7 总结与展望  75-77
  7.1 总结  75
  7.2 展望  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-80

基于FPGA的遥操作机器人运动控制器的研究

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