黎會(huì)鵬，馮　杰

（黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

基于SOPC平臺(tái)遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黎會(huì)鵬，馮杰

（黃岡師范學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

本設(shè)計(jì)基于SOPC嵌入式平臺(tái)，提出了機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的初級(jí)方案。該系統(tǒng)的硬件由DE1-SoC控制板、WiFi無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊和履帶機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電路等組成。軟件基于Altera公司的Qsys平臺(tái)，根據(jù)需要搭建控制器和外設(shè)框架，利用C語(yǔ)言采取模塊化編程，驅(qū)動(dòng)外圍硬件電路，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

SOPC；DE1-SOC；WiFi；Qsys

可編程片上系統(tǒng)（System on a Programmable Chip，SOPC），它是用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)集成到一塊硅片上，用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理。它具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)器人的控制領(lǐng)域的應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)也從初期的遙操作機(jī)器人的應(yīng)用逐步擴(kuò)展到分布式機(jī)器人系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。

1　系統(tǒng)方案

機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的本質(zhì)是人機(jī)之間，以及機(jī)器設(shè)備之間的協(xié)同和合作，機(jī)器人控制設(shè)計(jì)采用ALTERA公司的Cyclone V FPGA芯片平臺(tái)，基于Nios Ⅱ嵌入式處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該處理器是具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器, 其最大優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是模塊化的硬件結(jié)構(gòu), 以及由此帶來(lái)的靈活性和可裁減性。

機(jī)器人作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連接終端，將WiFi節(jié)點(diǎn)模塊通過(guò)AT指令配置，連接到服務(wù)端，建立數(shù)據(jù)鏈路。此時(shí)，服務(wù)端的控制指令可以通過(guò)WiFi傳送到單機(jī)器人平臺(tái)。平臺(tái)根據(jù)指令譯碼程序，調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和機(jī)械臂動(dòng)作。

1.1控制端

監(jiān)控中心采用C/S架構(gòu)，完成客戶端登錄信息的監(jiān)聽(tīng)，待客戶機(jī)登錄后，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。操作員通過(guò)控制界面可以在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行操作，也可通過(guò)板載的按鍵或重力傳感器檢測(cè)傾角對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

1.2無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用WiFi聯(lián)網(wǎng)方式在客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，WiFi是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)€(gè)人電腦、手持設(shè)備（如pad、手機(jī)）等終端以無(wú)線方式互相連接 。

1.3控制終端

機(jī)器人連接WiFi智能控制終端，終端設(shè)置成客戶機(jī)模式，上電后監(jiān)測(cè)服務(wù)器狀態(tài)，申請(qǐng)連接。接收服務(wù)器端的操作指令，經(jīng)過(guò)指令譯碼后控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)器人的速度控制以及前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎控制、六自由度機(jī)械手的操作。

2　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括電源、控制器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、WiFi網(wǎng)絡(luò)通信接口等資源。

機(jī)器人控制采用友晶科技的DE1-SoC開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)，該硬件采用ALTERA公司的Cyclone V FPGA芯片為控制核心，通過(guò)AT指令配置WiFi節(jié)點(diǎn)模塊為STA模式，設(shè)置鏈路網(wǎng)絡(luò)信息和通信端口。根據(jù)接收到的服務(wù)端的指令，控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖

2.1無(wú)線模塊

本設(shè)計(jì)選用匯承科技推出的全新HC-21（S2WM02WiFi）模塊，是基于UART接口的符合WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧， 能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

機(jī)械手伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用parallax公司的Servo Controller模塊，用于驅(qū)動(dòng)控制Hitec公司的HS-645MG大扭矩舵機(jī)，完成機(jī)械手的操作。

2.3六自由度機(jī)械手

機(jī)械手為德普斯機(jī)械手，它主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等組成。該機(jī)械手由6個(gè)伺服電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，其構(gòu)造仿生于人類的手臂，能夠靈活地全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，完成各項(xiàng)命令。

2.4車體動(dòng)力部分

本系統(tǒng)主要采用履帶結(jié)構(gòu)，共有4組直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪。履帶式機(jī)器人具有動(dòng)載荷小，設(shè)計(jì)緊湊等特點(diǎn)。它能夠平穩(wěn)、迅速、安全地通過(guò)各種復(fù)雜路況。履帶上有花紋，所以在雪、雨、冰、上坡等路面上能牢牢地抓住地面、不會(huì)滑轉(zhuǎn)。

3　系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

Altera公司在QuartusII 11.0版本中就正式使用Qsys作為主要的SOPC工具，Qsys系統(tǒng)集成工具自動(dòng)生成互聯(lián)邏輯，能自動(dòng)連接集成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）功能和自定義子系統(tǒng)，從而顯著節(jié)省了時(shí)間，減輕了FPGA開(kāi)發(fā)工作量。與之前發(fā)行的SOPC Builder版本相比，提高了性能，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)重用功能，更迅速的進(jìn)行驗(yàn)證。

本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，利用Qsys平臺(tái)搭建了功能系統(tǒng)，主要包含了幾個(gè)組件：NiosII Processor、onchip_ memory，timer，jtag_uart，uart和pio。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。外設(shè)中斷號(hào)和和基地址有系統(tǒng)自動(dòng)分配，也可根據(jù)設(shè)計(jì)本身進(jìn)行修改。

系統(tǒng)軟件基于eclipse平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯，采用C語(yǔ)言編程。

3.1初始化函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常工作前，將配置模塊的外設(shè)資源進(jìn)初始化，主要包括WiFi模塊配置初始化、定時(shí)器初始化、舵機(jī)控制器初始化等操作。

3.2控制信息處理

機(jī)器人和控制端通過(guò)WiFi進(jìn)行通信，通過(guò)軟件監(jiān)聽(tīng)WiFi模塊接收的數(shù)據(jù)，根據(jù)解碼協(xié)議定義功能函數(shù)，將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給處理單元。

3.3機(jī)械手控制

根據(jù)控制單元轉(zhuǎn)發(fā)的信息，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行操作。

3.4車體運(yùn)動(dòng)控制

根據(jù)解碼控制單元轉(zhuǎn)發(fā)的信息，驅(qū)動(dòng)車體直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)和位置控制。

圖2　Qsys系統(tǒng)框架圖

4　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)圍繞DE1-SOC平臺(tái)應(yīng)用展開(kāi)研究，進(jìn)行嵌入式現(xiàn)場(chǎng)控制器軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。將履帶機(jī)器人作為對(duì)象，經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，機(jī)器人能正常工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能，可廣泛應(yīng)用于科研和教學(xué)領(lǐng)域。

[1]李貞妮，金碩巍，李晶皎，等.基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方法探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）：81-82.

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Remote robot control system design based on SOPC platform

Li Huipeng, Feng Jie
（Electronic and Information School of Huanggang Normal University, Huanggang 438000,China）

A preliminary programme about robot remote control system is presented based on SOPC embedded platforms. The hardware of the system consists of DE1-SoC board, WiFi wireless node module and tracked robot driving circuit and so on. Software is based on Altera Qsys platform to build framework for controllers and peripherals according to demands, and using C language to modular programming and drive peripheral hardware, which fulfill the motion control of robots.

SOPC; DE1-SOC; WiFi; Qsys

黃岡師范學(xué)院轉(zhuǎn)型發(fā)展項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：zxfz2016B008，zxfz2016A014。

黎會(huì)鵬（1981— ），男，湖北荊門(mén)，碩士，講師；研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。