FPGA/SoC控制機(jī)械臂

機(jī)器人技術(shù)處于工業(yè) 4.0、人工智能和邊緣革命的前沿。讓我們看看如何創(chuàng)建 FPGA 控制的機(jī)器人手臂。

介紹

機(jī)器人技術(shù)與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)一起處于工業(yè) 4.0 和邊緣革命的最前沿。

因此，我認(rèn)為創(chuàng)建一個(gè)基礎(chǔ)機(jī)器人手臂項(xiàng)目會(huì)很有趣，我們可以回過(guò)頭來(lái)添加幾個(gè)功能，例如：

逆運(yùn)動(dòng)學(xué) - 確定末端執(zhí)行器的位置。

AI / ML - 操作期間的對(duì)象分類(lèi)。

網(wǎng)絡(luò)控制——實(shí)現(xiàn)邊緣遠(yuǎn)程控制。

此示例將使用一個(gè)機(jī)器人手臂，該機(jī)器人手臂在 Zynq SoC 的控制六個(gè)伺服系統(tǒng)?？梢允褂煤?jiǎn)單的軟件界面或使用兩個(gè)操縱桿進(jìn)行直接控制。

伺服控制

我們需要做的第一件事是弄清楚如何控制伺服位置。伺服電機(jī)是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電機(jī)之一，也是機(jī)器人技術(shù)的理想選擇，因?yàn)橹灰覀儽３窒嗤尿?qū)動(dòng)信號(hào)，它們就能保持相對(duì)位置。

那么伺服的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是什么呢？我們使用的同類(lèi)伺服系統(tǒng)中的大多數(shù)都使用 60Hz PWM 波形。在 60Hz 波形的 16.66 ms 周期中，信號(hào)將在 0.5 ms 到 2.5 ms 之間為高電平。信號(hào)的持續(xù)時(shí)間將驅(qū)動(dòng)伺服器在 0 到 180 度之間運(yùn)動(dòng)。

0.5 ms 脈沖驅(qū)動(dòng) 0 度位置，而 2.5 ms 脈沖將驅(qū)動(dòng) 180 度位置。因此，可以通過(guò)將信號(hào)驅(qū)動(dòng)為 1.5 ms 脈沖來(lái)維持 90 度。

因此，增加或減少脈沖13.9 us寬度會(huì)使舵機(jī)移動(dòng) 1 度。

接下來(lái)要解決的是如何生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，PWM 擴(kuò)展板（上圖）使用四個(gè) 8 位寄存器來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè) PWM 信號(hào)。

on 寄存器定義信號(hào)變高的計(jì)數(shù)，off 寄存器定義信號(hào)變低的計(jì)數(shù)。

因此，我們可以將開(kāi)啟時(shí)間設(shè)置為 0，然后定義關(guān)閉信號(hào)的計(jì)數(shù)，以獲得所需的信號(hào)寬度。

Vivado 構(gòu)建

Zynq PS - 這是 Zynq 處理系統(tǒng)

AXI IIC - 在 PL 中實(shí)現(xiàn)的 I2C 接口

一旦完成了PL設(shè)計(jì)，我們就可以構(gòu)建設(shè)計(jì)并將其導(dǎo)出到軟件。

軟件設(shè)計(jì)

我們將在軟件中開(kāi)發(fā)大部分應(yīng)用程序。由于我們希望在多種模式下使用它，并在將來(lái)進(jìn)行升級(jí)時(shí)使用它，因此我們需要一種模塊化方法。

因此，為每個(gè)關(guān)節(jié)開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以根據(jù)需要調(diào)用和使用的函數(shù)。每個(gè)關(guān)節(jié)都能夠接收無(wú)符號(hào)的 8 位值，然后將該 8 位值與 90 度 (1.5 ms) 脈沖寬度相加或相減，以獲得所需的角度。

我這樣做有幾個(gè)原因：

單個(gè) RS232 字節(jié)可以包含所需的電機(jī)位置。

從操縱桿讀取的值也是 8 位。

因此，我們需要確保操縱桿和手臂之間的運(yùn)動(dòng)對(duì)齊。

兩個(gè)操縱桿中，第一個(gè)連接到 JA，第二個(gè)連接到 JB（JA和JB是PMOD接口，就是普通的GPIO）。

JA 當(dāng)沿 X 方向移動(dòng)時(shí)，將向前或向后移動(dòng)手臂；當(dāng)沿 Y 方向移動(dòng)時(shí)，它將上下移動(dòng)手臂。

JB 在 X 方向移動(dòng)時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)手腕，在 Y 方向移動(dòng)時(shí)會(huì)上下移動(dòng)手腕。

每個(gè)移動(dòng)函數(shù)的代碼都非常相似，并且可以在后面提供的代碼找到，但是，下面提供了向上向下函數(shù)以供參考

voidup_dwn(u8YData){
SendBuffer[0]=0x0A;
SendBuffer[1]=0x00;
XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8*)&SendBuffer,sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);
SendBuffer[0]=0x0B;
SendBuffer[1]=0x00;
XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8*)&SendBuffer,sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);
SendBuffer[0]=0x0C;
u16signal;
if(YData>8);
SendBuffer[1]=cent_l_off;
XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8*)&SendBuffer,sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);
SendBuffer[0]=0x0D;
SendBuffer[1]=cent_h_off;
XIic_Send(iic.BaseAddress,IIC_SLAVE_ADDR,(u8*)&SendBuffer,sizeof(SendBuffer),XIIC_STOP);
}

軟件應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的其余部分是：

初始化 PWM 擴(kuò)展板和 Pmod 操縱桿。

對(duì)手臂進(jìn)行自檢并將所有伺服系統(tǒng)定位在 90 度。

通過(guò) RS232 接收命令或來(lái)自操縱桿的命令。

當(dāng)然，如果我們希望在命令中進(jìn)行硬編碼來(lái)執(zhí)行重復(fù)任務(wù)，我們也可以。

初步測(cè)試

一旦 Vivado 構(gòu)建和初始軟件可用，下一步就是確保軟件能夠正確移動(dòng)伺服系統(tǒng)。

當(dāng)移動(dòng)操縱桿時(shí)，可以使用示波器測(cè)量 PWM 信號(hào)。

隨著操縱桿的移動(dòng)，脈沖寬度逐漸從 0.5 ms 變?yōu)?2.5 ms。

審核編輯：湯梓紅