一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器

摘要

本发明涉及一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器。其主要由基于Virtex？II系列现场可编程逻辑门阵列的可编程片上系统及其外围电路构成。FPGA片内SOPC功能模块根据四索牵引摄像机器人运动控制要求进行定制，主要包括硬核微处理器PowerPC405、处理器局部总线PLB、片上外设总线OPB、PLB转OPB桥、SDRAM控制器、以太网媒介访问控制器、UART、GPIO及系统级高级配置环境，所述的片内功能模块之间均逻辑连接；外围电路主要由电源、时钟、SDRAM存储器、ACE控制器及CF卡、按键、LED、以太网物理层收发器LXT972A、RS232电平转换器MAX3232组成，所述的外围电路均与FPGA电连接。采用SOPC技术实现运动控制器优化了系统的硬件组成，同时增强了系统的柔性。

说明书

技术领域

本发明涉及柔索牵引摄像机器人的控制系统技术领域，特别涉及一种成本 低、系统可靠性高、控制精度高、运动协调性好、硬件组成结构紧凑的用于四索 牵引摄像机器人的专用运动控制器。

背景技术

随着生活水平的提高，人们的业余生活越来越丰富，因此也对各类体育比 赛或演唱会等娱乐活动给予了更多的关注。但是由于场地的限制以及安全方面等 原因，并不是所有人都能亲临现场观看，为了给观众呈现更好的现场视频，需要 一种能够灵活快速的对体育比赛或演唱会现场进行空中拍摄的设备。

柔索牵引摄像机器人出现以前，在进行直播体育比赛或演唱会进行空中拍 摄时，传统的摄像技术往往需借助摇臂摄像机、曲臂升降车和直升飞机等设备实 现，但是这些设备存在一定的缺点：摇臂摄像机和曲臂升降车摄像系统工作区域 和拍摄角度都非常有限，运动速度慢且容易干扰观众视线；而采用直升飞机进行 航拍又存在复杂的目标跟踪及位置定位等问题，并且震颤和噪音干扰大，影响现 场观众观看，且成本高昂。因此传统的摄像技术不能很好的完成空中拍摄的任务。

柔索牵引摄像机器人的出现为空中拍摄提供了非常好的解决方案，柔索牵 引摄像机器人的出现是电视转播技术史上的一次革命。柔索牵引摄像机器人是一 种大跨度冗余驱动高速并联机构，可实现空中全景式拍摄，已在奥运会、世界杯、 春节联欢晚会等场合得到了应用，具有广阔的应用前景。国外已有成熟的商用产 品，比较有名的有美国的Skycam和德国的Spidercam。但是，目前国内对柔索 牵引摄像机器人的理论研究还比较薄弱，缺乏相关理论和产品。

柔索牵引摄像机器人摄像技术的好坏与其运动控制器有着重要的关系。目 前，在国内外公开的可用于并联机器人的运动控制器均存在以下弊端：价格昂贵； 开放性弱、精度差，不能由用户自行修改控制算法，因此不易控制、协调性差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种用于四索牵引摄像机器人的专 用运动控制器，其针对三自由度冗余并联机器人的高效、专用的多轴运动控制器， 采用四个伺服电机驱动卷盘收放柔索，其成本低、系统可靠性高、控制精度高、 运动协调性好，能够出色地完成大场地的空中拍摄任务。

为解决现有技术中存在的问题，采用的具体技术方案是：

一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器，其包括片上可编程系统 (SOPC)和设于所述片上可编程系统(SOPC)周围的外围电路。

所述片上可编程系统(SOPC)是基于VirtexII系列现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)的可编程片上系统，其包括硬核微处理器(PowerPC405)、处理器局部 总线(PLB总线)、SDRAM控制器(SDRAMControl)、PLB转OPB桥(PLB2OPB bridge)、以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)、片上外设总线(OPB总线)、 系统级高级配置环境(SystemAdvancedConfigurationEnvironment，System ACE)、通用可编程输入输出接口(GPIO)和通用异步收发器(UART)；所述处理 器局部总线(PLB总线)与硬核微处理器(PowerPC405)相连，所述SDRAM控制 器(SDRAMControl)、PLB转OPB桥(PLB2OPBbridge)、以太网媒介访问控制器 (EthernetMAC)均与处理器局部总线(PLB总线)相连，所述片上外设总线(OPB 总线)与PLB转OPB桥(PLB2OPBbridge)相连，所述系统级高级配置环境(System ACE)、通用可编程输入输出接口(GPIO)和通用异步收发器(UART)均与片上外 设总线(OPB总线)相连。

所述外围电路包括电源、时钟、SDRAM存储器、JTAG(联合测试行为组织) 接口、SystemACE控制器、CF(CompactFlash)卡、按键、LED、以太网物理 层收发器LXT972A、RS232电平转换器MAX3232组成，所述电源、时钟均与现场 可编程逻辑门阵列(FPGA)电连接，所述SDRAM存储器与SDRAM控制器(SDRAM Control)电连接，所述JTAG接口和CF卡均与SystemACE控制器连接，所述 SystemACE控制器与系统级高级配置环境(SystemACE)电连接，所述按键和 LED均与通用可编程输入输出接口(GPIO)电连接，所述以太网物理层收发器 LXT972A与以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)电连接，所述RS232电平转换 器MAX3232与通用异步收发器(UART)电连接。

优选的方案，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的芯片为可实现可编程片 上系统(SOPC)的XC2VP30FF896芯片。片内功能模块均可根据应用需求进行定 制。

进一步优选的方案，本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器 还外接有嵌入式PC，所述嵌入式PC与外围电路中的以太网物理层收发器LXT972A 电连接。

更进一步优选的方案，本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制 器还外接有HMI，所述HMI与外围电路中的RS232电平转换器MAX3232电连接， 以实现人机交互。

再进一步优选的方案，所述HMI采用MT8050iE触摸液晶屏，其采用触摸方 式输入，可快速开发变量图标、曲线显示、时间变量等图形人机界面。

所述片上可编程系统SOPC包括四索牵引三自由度并联摄像机器人的速度运 动学方程解算单元，其用于实现从四索牵引三自由度并联机器人的末端执行器速 度矢量到柔索索长变化速度矢量之间的变换。

本发明中，外围电路中的以太网物理层收发器LXT972A与现场可编程逻辑门 阵列(FPGA)内部的以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)连接，构成以太网通 信传输的硬件基础结构。EthernetMAC的IP核实现以太网MAC(MediaAccess Controller)功能，MAC在OSI的通信模式中是处于链路层(LinkLayer)中的， 是链路层的底层，连接处理器局部总线，速率为10-100Mbps。EthernetMAC的IP 核是利用存在于芯片内部的FPGA逻辑资源组成实现的。本发明应用此IP核搭建 好以太网通信的硬件基础，然后应用其内部的驱动函数和协议栈编写应用层协 议。

通过采用以上技术方案，本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控 制器与现有技术对比，其技术效果在于：

1、本发明采用与传统多轴运动控制器不同的设计方法，采用嵌入式系统设 计思想和SOPC技术，实现针对具体应用需求定制硬件模块和编写软件程序。采 用这种方式，能有效的利用资源，保证系统的可靠性，具有良好的一致性和可扩 展性。

2、本发明在运动控制器中集成了四索牵引三自由度并联机器人的运动学求 解算法，能使专用运动控制器在各种场合通过简单命令实现对机构的控制并获取 必要的数据，使用更方便。

3、本发明采用TCP/IP通信方式与嵌入式PC交互数据，有效提高了数据的 吞吐率和可靠性。

4、本发明控制器成本低、控制精度高、运动协调性好，能够出色地完成大 场地的空中拍摄任务。

附图说明

图1是本发明四索牵引摄像机器人总体系统架构。

图2是本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器的原理框图。

图3是本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器与嵌入式PC 及伺服系统的连接关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参 照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非 要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述， 以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明：

四索牵引摄像机器人属于三自由度冗余并联机构，采用四个伺服电机驱动卷 盘收放柔索实现，系统架构如图1所示。本发明通过四个电机的高精度控制并兼 顾它们之间的运动协调，从而实现摄像云台的精密运动控制，因此，研究开发四 索牵引并联机器人的专用运动控制器是非常必要的。本发明采用的系统采用四索 牵引三自由度并联机构，其在空中拍摄方面有着优异的性能，以其独有的特点能 很好地完成了这种大场地的空中拍摄任务。

如图2所示，一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器，其包括片上 可编程系统(SOPC)和设于所述片上可编程系统(SOPC)周围的外围电路。

所述片上可编程系统(SOPC)是基于VirtexII系列(VirtexII系列FPGA 是Xilinx第一代平台FPGA解决方案)现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的可编程 片上系统，所述现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的芯片为可实现可编程片上系统 (SOPC)的XC2VP30FF896芯片，芯片内功能模块均可根据应用需求进行定制。

所述片上可编程系统(SOPC)包括硬核微处理器(PowerPC405)、处理器局 部总线(PLB总线)、SDRAM控制器(SDRAMControl)、PLB转OPB桥(PLB2OPB bridge)、以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)、片上外设总线(OPB总线)、 系统级高级配置环境(SystemACE)、通用可编程输入输出接口(GPIO)和通用 异步收发器(UART)；所述处理器局部总线(PLB总线)与硬核微处理器 (PowerPC405)相连，所述SDRAM控制器(SDRAMControl)、PLB转OPB桥(PLB2OPB bridge)、以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)均与处理器局部总线(PLB总 线)相连，所述片上外设总线(OPB总线)与PLB转OPB桥(PLB2OPBbridge)相连， 所述系统级高级配置环境(SystemACE)、通用可编程输入输出接口(GPIO)和 通用异步收发器(UART)均与片上外设总线(OPB总线)相连。

所述外围电路包括电源、时钟、SDRAM存储器、JTAG(联合测试行为组织)、 接口SystemACE控制器、CF(CompactFlash)卡、按键、LED、以太网物理层 收发器LXT972A、RS232电平转换器MAX3232组成，所述电源、时钟均与现场可 编程逻辑门阵列(FPGA)电连接，所述SDRAM存储器与SDRAM控制器(SDRAM Control)电连接，所述JTAG接口和CF卡均与SystemACE控制器连接，所述 SystemACE控制器与系统级高级配置环境(SystemACE)电连接，所述按键和 LED均与通用可编程输入输出接口(GPIO)电连接，所述以太网物理层收发器 LXT972A与以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)电连接，所述RS232电平转换 器MAX3232与通用异步收发器(UART)电连接。

本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器还外接有嵌入式PC 和HMI，所述嵌入式PC与外围电路中的以太网物理层收发器LXT972A电连接； 所述HMI与外围电路中的RS232电平转换器MAX3232电连接，以实现人机交互， 所述HMI采用MT8050iE触摸液晶屏，其采用触摸方式输入，可快速开发变量图 标、曲线显示、时间变量等图形人机界面。

所述片上可编程系统SOPC包括四索牵引三自由度并联摄像机器人的速度运 动学方程解算单元，其用于实现从四索牵引三自由度并联机器人的末端执行器速 度矢量到柔索索长变化速度矢量之间的变换。

各电路的原理和功能设计如下：

现场可编程门阵列FPGA采用Xilinx公司的VirtexII系列XC2VP30FF896 芯片，该芯片内部包含硬核PowerPC405处理器，可实现SOPC。其主要功能是定 制系统硬件模块，并通过软件实现四索牵引三自由度并联摄像机器人的速度运动 学方程解算，用于完成四索牵引三自由度并联机器人的末端执行器速度矢量到柔 索索长变化速度矢量的变换。

外围电路中的以太网物理层收发器LXT972A与现场可编程逻辑门阵列(FPGA) 内部的以太网媒介访问控制器(EthernetMAC)连接，构成以太网通信传输的硬件 基础结构。EthernetMAC的IP核实现以太网MAC(MediaAccessController) 功能，MAC在OSI的通信模式中是处于链路层(LinkLayer)中的，是链路层的 底层，连接处理器局部总线，速率为10-100Mbps。EthernetMAC的IP核是利 用存在于芯片内部的FPGA逻辑资源组成实现的。本发明应用此IP核搭建好以太 网通信的硬件基础，然后应用其内部的驱动函数和协议栈编写应用层协议。

参见附图3，是本发明一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器与嵌 入式PC及伺服系统的连接关系。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各 种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。