面向空间机器人运动控制的高速协处理器的研究

摘要

机器人运动控制的高速化处理是空间机器人技术领域重要的研究方向之一。对在空间执行实时任务的机器人系统而言，运动学计算的快速、高效至关重要，这样才能为机器人完成空间跟踪、捕获、维修提供有力的支持，为航天任务的实施提供保障。 本文所设计的面向空间机器人控制的高速协处理器，主要完成运动学正解、运动学反解、目标位置及转换矩阵求解这3类计算，以及协处理器配置和出错处理的工作。其中，运动学中的大量超越函数的计算基于CORDIC算法。对本文设定的空间6自由度机械臂模型的正反解运算提出了一套基于CORDIC流水结构的算法，并在FPGA中实现。 另外，该协处理器与中央控制计算机主处理器协同工作，承担着相当一部份通信、存储器冗余容错功能的逻辑实现。本文重点介绍了协处理器与主处理器协同工作方式，冷热双冗余CAN总线系统设计及存储器EDAC功能的实现。 论文的主要工作如下： 1．详细分析了超越函数的CORDIC实现算法，采用CORDIC基本算法模块构建机器人运动学正反解计算的算法结构。 2．提出面向空间机器人运动控制的高速协处理器的总体结构，并基于该结构确定了CORDIC算法实现机器人运动学计算，以及协处理器配置和出错处理的流程。 3．确定了协处理器与主处理器之间的工作方式，研究了冷热双冗余的CAN总线通信系统以及存储器的EDAC功能实现。 4．对协处理器的功能进行了测试和对比，对整个系统设计进行了总结并在系统优化方面提出了几点想法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 空间机器人控制计算机的国内外研究现状

1.2.1机器人控制计算机国内外发展现状

1.2.2机器人控制计算机与片上系统SOC

1.2.3机器人控制计算机协处理器的发展

1.3 内容安排

第二章机器人运动学与CORDIC算法研究

2.1 6自由度机械臂运动学正反解

2.2超越函数实现算法介绍

2.2.1 查找表法(Table Lookup Method)

2.2.2多项式拟合(Polynomial Approximation)

2.2.3 Digit-by-digit算法

2.3 CORDIC算法研究

2.3.1 圆周系统

2.3.2线性和双曲系统

2.3.3 CORDIC的统一算法

2.4本章小结

第三章基于CORDIC的6自由度空间机械臂运动学高速算法

3.1运动学正解的CORDIC计算方法

3.2运动学反解的可CORDIC算法化探讨

3.2.1旋转计算的处理

3.2.2平方根计算的处理

3.2.3反正切计算的处理

3.3运动学反解的CORDIC计算方法

3.4本章小结

第四章协处理器的内部设计

4.1 FPGA器件及其作为协处理器的优缺点分析

4.1.1 FPGA的基本结构

4.1.2 FPGA器件的性能特点

4.1.3 FPGA作为协处理器的优势分析

4.1.4 FPGA的设计流程

4.2协处理器内部总体结构划分

4.3 CORDIC算法核的实现

4.3.1经典CORDIC迭代结构

4.3.2 CORDIC-Pipe结构

4.3.3 CORDIC软核的结构

4.4协处理器运动学算法运算模块的设计实现

4.4.1运动学算法模块中子模块的功能

4.4.2运动学运算模块的工作方式

4.5协处理器系统总体实现

4.5.1 协处理器的内部结构与控制流程

4.5.2协处理器控制命令字及状态字解析

4.5.3三模冗余与出错处理

4.5.4配置更新

4.6本章小结

第五章基于FPGA协处理器的中央控制计算机硬件框架设计

5.1 协处理器的接口设计与调用逻辑

5.1.1 协处理器硬件接口设计

5.1.2协处理器控制流程

5.2基于协处理器的中央控制计算机容错措施

5.2.1 冷热双冗余CAN总线系统的设计与实现

5.2.2 EDAC(Error Detection And Correction)容错电路的设计实现

5.3 中央控制计算机主控单板整体硬件框架

5.4本章小结

第六章协处理器的功能验证与测试

6.1系统性能测试

6.1.1 测试环境

6.1.2协处理器运动学计算仿真验证

6.2协处理器冗余容错功能验证与测试

6.2.1冷热冗余CAN总线系统验证与测试

6.2.2 EDAC容错功能的测试与验证

6.3本章小结

第七章工作总结与展望

7.1 工作总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文