| [页数] 74 [字数] 34599 [目录] 第1章 绪论 1 第2章 基于SOPC的工业机器人控制器总体方案研究 8 第3章 基于SOPC的工业机器人控制器的硬件平台 18 第4章 软件平台及算法的实现 30 第5章 SOPC实现的相关问题研究 44 第6章 开放式控制器的系统测试 53 第7章 结论 62 参考文献 64 致 谢 68 攻读硕士学位期间的研究成果 （不存在） [原文] 第1章 绪论 1.1 机器人控制器的发展概况 自第一台机器人诞生以来，机器人在工业生产中得到了越来越广泛的应用。机器人控制器(Robot Controller)作为整个机器人性能的关键部分之一，其性能是影响整个机器人系统能否高效、可靠运行的关键。但是早期的机器人控制器功能简单，体积庞大，操作起来比较复杂，精度和可靠性也不高[1]。 随着计算机和微电子技术的发展，机器人控制器也发生了革命性的变化，机器人控制器由过去的简易控制装置，变成了由计算机控制的高性能控制器。它具有良好的人机界面，系统保护、状态监控、诊断功能日趋完善，对外通讯能力进一步加强。由于计算能力的提高和存储能力的扩大，这时的机器人控制器己能实现比较复杂的控制算法，完成复杂轨迹的规划和插补运算，因此大大提高了机器人的控制精度和作业能力[2]。同时机器人的操作也变得非常简单，可靠性有了很大提高。此外由于机器人通讯能力的增强，使得机器人由过去的单台独立工作，变成可以多台机器人同时作业，甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线，大大拓展了机器人的应用领域。 国内外对机器人控制器研究归纳起来主要在两个方面：第一方面是机器人控制器的功能结构，主要是智能控制、多算法融合和性能分析、控制器体系结构；第二方面是控制器的实现结构，主要是实时多任务操作系统、开放结构标准、多控制器结构和网络化、运动控制器[2]。 对控制器体系结构的研究，其重点是功能划分和功能之间信息交换的规范方面。在美国，国家航空宇航局和标准化局制定了一个概念模型NASREM——遥控机器人控制系统结构的参考模型。采用层次结构，每一层又分为三模块：任务分解、环境建模和传感信号处理。这种结构为处理大系统提供了一种标准的方法，由美国空军赞助、Martin Marietta公司实施的开放系统结构标准的规范—下一代通用控制器NGC (Next Generation Controller)...... [摘要] 随着机器人应用范围的扩大，机器人的复杂程度和智能程度也越来越高。为了使机器人能够适应各种复杂的应用环境，必须要研制柔性化、智能化、网络化的开放性机器人控制器。因此，机器人控制器的研究对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大的意义。计算机技术与微电子技术的迅速发展，特别是可编程片上系统SOPC的出现，为机器人控制器的实现提供了新的途径。本文在研究分析国内外机器人控制器发展现状的基础上，提出了基于SOPC的开放式机器人控制器的整体实现方案。 SOPC是PLD (Programmable Logic Device，即可编程逻辑器件)和ASIC ( Application Specific Integrated Circuits，即专用集成电路)技术融合的结果，它集成了硬核尤其是软核CPU、DSP、存储器、外围1/O及可编程逻辑等器件，在应用的灵活性和价格上都有极大的优势。结合 SOPC系统的强大功能，利用SOPC系统的可裁剪性、可移植性、强大而丰富的IP功能库、良好的模块化设计等，可以实现结构更开放和性能更高的控制器。 本文首先利用集成了 Nios II软核处理器的Cyclone II 高密度 FPGA 的可编程片上系统，根据模块化的设计思想，利用可编程片上系统的概念和开发工具进行了一定程度的配置，搭建了机器人控制器的硬件平台，并将 μC/OS-II 实时操作系统移植到Nios II 软核处理器上，实现了一个基于SOPC的机器人控制器的开发平台。然后将传统的 IPC+DSP 或 IPC+单片机等的两级结构映射到 SOPC中，用Nios II软核处理器代替上位机功能，用嵌入式运动控制器IP核替代单片机或DSP，最终实现了一个完整的基于SOPC的开放性机器人控制器，并利用ModelSim、Quartus II和SignalTap II系统进行了分析、测试和实验验证。 最后，本文结合研究过程中的实践，对SOPC设计过程中的时钟、竞争冒险和信号传输路径等关键技术进行了研究，为今后研制更加先进的基于SOPC的开放性机器人控制器积累经验。 [参考文献] [1] 范永，谭民．机器人控制器的现状及展望[J]．机器人，1999，(1)：75-80． [2] 李开生，张慧慧等．机器人控制器体系结构研究的现状和展望[J]．机器人，2003， (3)：235-240． [3] 孙斌，杨汝请．开放式机器人控制器综述[J]．机器人，2000，(4)：374-378． [4] 周学才，李卫平，李强.开放式机器人通用控制系统[[J]．机器人, 1998, (20): 25-31． [5] 张广立，谈世哲，杨汝清．基于 Windows NT 的开放式机器人控制系统[J]．机器人，2002 (5)：443-446． [6] 吴镇炜，李斌．基于 PC 平台的机器人控制器设计与实现[J]．机器人，2004，(7)： 738-740． [7] 张广立,付莹,杨汝清,张伟军. 基于Windows NT的开放式机器人实时控制系统[J]．上海交通大学学报, 2003,(5) ：724-728． [8] Juan A., Fernabdez .The NEXUS open system for integrating robotic Software [J]. 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基于SOPC机器人控制器研究
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