FPGA/SoC控制機械臂

FPGA技術江湖 2023-10-31 07:00

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FPGA/SoC控制機械臂

機器人技術處于工業(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 控制的機器人手臂。

介紹

機器人技術與人工智能和機器學習一起處于工業(yè) 4.0 和邊緣革命的最前沿。

因此，我認為創(chuàng)建一個基礎機器人手臂項目會很有趣，我們可以回過頭來添加幾個功能，例如：

逆運動學 - 確定末端執(zhí)行器的位置。
AI / ML - 操作期間的對象分類。
網絡控制——實現邊緣遠程控制。

此示例將使用一個機器人手臂，該機器人手臂在 Zynq SoC 的控制六個伺服系統。可以使用簡單的軟件界面或使用兩個操縱桿進行直接控制。

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。伺服電機是最簡單的驅動電機之一，也是機器人技術的理想選擇，因為只要我們保持相同的驅動信號，它們就能保持相對位置。

那么伺服的驅動信號是什么呢？我們使用的同類伺服系統中的大多數都使用 60Hz PWM 波形。在 60Hz 波形的 16.66 ms 周期中，信號將在 0.5 ms 到 2.5 ms 之間為高電平。信號的持續(xù)時間將驅動伺服器在 0 到 180 度之間運動。

0.5 ms 脈沖驅動 0 度位置，而 2.5 ms 脈沖將驅動 180 度位置。因此，可以通過將信號驅動為 1.5 ms 脈沖來維持 90 度。

因此，增加或減少脈沖13.9 us寬度會使舵機移動 1 度。

接下來要解決的是如何生成驅動信號，PWM 擴展板（上圖）使用四個 8 位寄存器來驅動每個 PWM 信號。

on 寄存器定義信號變高的計數，off 寄存器定義信號變低的計數。

因此，我們可以將開啟時間設置為 0，然后定義關閉信號的計數，以獲得所需的信號寬度。

Vivado 構建

Zynq PS - 這是 Zynq 處理系統
AXI IIC - 在 PL 中實現的 I2C 接口

一旦完成了PL設計，我們就可以構建設計并將其導出到軟件。

軟件設計

我們將在軟件中開發(fā)大部分應用程序。由于我們希望在多種模式下使用它，并在將來進行升級時使用它，因此我們需要一種模塊化方法。

因此，為每個關節(jié)開發(fā)了一個可以根據需要調用和使用的函數。每個關節(jié)都能夠接收無符號的 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。

我這樣做有幾個原因：

單個 RS232 字節(jié)可以包含所需的電機位置。
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動對齊。

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

JA 當沿 X 方向移動時，將向前或向后移動手臂；當沿 Y 方向移動時，它將上下移動手臂。

JB 在 X 方向移動時會旋轉手腕，在 Y 方向移動時會上下移動手腕。

每個移動函數的代碼都非常相似，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以供參考

void?up_dwn(u8?YData){
?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;
?u16?signal;
?if(?YData???signal?=?122?+?(YData?*?1.91);
?}
?else?if?(YData?==?128){
??signal?=?369;
?}
?else{
??signal?=?369?+?((YData?-?128)?*?1.91);
?}
?u8?cent_l_off,?cent_h_off;
?cent_l_off?=?(u8)signal;
?cent_h_off?=?(u8)?(signal>>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);
?}?