基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统，本发明专利技术在Zynq平台上通过HLS语言设计了六自由度并联平台液压杆长度反解算法，利用Zynq中PL端的逻辑资源解决了六自由度并联平台反解算法和控制模块运算量较大，并行化要求高的问题；使用Zynq PS端实现了基于以太网接口的TCP数据帧和命令帧传输方案，将参数配置和数据传输集成在同一块Zynq芯片中，提升了控制器的集成度和在复杂工作环境下的稳定性，解决了传统控制方案功耗高，体积较大的问题；利用HLS的ap_fixed数据类型降低了反解计算中的时间开销，提升了反解算法的运行速度，降低了解算延迟。降低了解算延迟。降低了解算延迟。

【技术实现步骤摘要】
基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统


[0001]本专利技术属于运动控制器领域，尤其涉及一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器。

技术介绍

[0002]随着智能化时代的到来，六自由度并联平台在越来越多的场景中得到应用。在工业场景中，由于其较高的运动自由度和较大的负载能力，广泛用于对海浪或者颠簸路面的模拟。在航空航天事业中也常被用来模拟飞行员或者航天员遇到的各种驾驶情况。在民用领域也有广泛的应用，例如与VR设备联动实现多维度的虚拟现实感知，实现沉浸式体验。
[0003]六自由度并联平台的核心算法是运动学的反解算法。稳定快速的反解算法是六自由度并联平台平稳高效运行的关键。反解算法是通过给出的运动平台三轴位移和偏转角度解算出六个液压杆的伸长或缩短量，涉及到坐标变换和矩阵相乘操作，过程较为复杂并且六根轴需要同步进行解算和控制操作，对计算设备的算力要求高并且需要与外围设备有高效多样的通信接口。现有的反解算法往往运行在嵌入式设备或者工控机平台上。
[0004]传统的六自由度并联平台通常使用工控机的方式进行控制信号的采集和产生，需要设备体积较大，功耗也较高。运行在工控机平台上的解算算法需要通过以太网、CAN总线等与控制器进行通信，从而进行液压杆长度传感器数据的采集及解算结果的传输。而六自由度并联平台的工作环境复杂多变，尤其是在野外或者较为恶劣的环境下时，要求控制器的体积小，集成度高。
[0005]作为六自由度并联平台核心算法的反解算法对计算的实时性要求高。使用工控机作为计算设备需要复杂的外部设备支持，使得整个系统整体性下降，在复杂环境中运行时稳定性较低。而且需要较大的功耗，对运行环境有一定的要求。因此需要设计一种集成度高，外部接口丰富的六自由度并联平台控制器。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对目前六自由度并联平台运动工控机控制器体积大、功耗高、集成度低的不足，提出一种可以量化解算精度的，基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统，本专利技术在Zynq xc7z100ffg900
‑
2平台上通过HLS语言设计了六自由度平台液压杆长度反解算法，利用Zynq中PL端的逻辑资源解决了六自由度并联平台反解算法和控制模块运算量较大，并行化要求高的问题；通过Zynq PS端实现了基于以太网接口的TCP数据帧和命令帧传输方案，将参数配置和数据传输集成在同一块Zynq芯片中，提升了控制器的集成度和在复杂工作环境下的稳定性，解决了传统控制方案功耗较高，体积较大的问题；利用HLS的ap_fixed数据类型降低了反解计算中的时间开销，提升了反解算法的运行速度，降低了解算延迟。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一，HLS实现六自由度并联平台的反解算法IP；基于台面质心坐标系和基座质心坐标系的空间坐标变换，根据台面的期望位姿和平台结构参数，求解出六自由度并联平台的六根液压杆长度；基于HLS的优化方法，通过插入流水线设计提升IP运算的数据吞吐量，降低求解延迟；使用不同位宽的定点数降低求解复杂度，保证求解精度的情况下提升求解速度；
[0010]步骤二，以太网数据传输模块设计，包括以下子步骤：
[0011]2.1TCP连接状态检测定时器初始化，通过定时器周期性监听TCP连接是否存在，若检测到连接断开则重新建立连接；
[0012]2.2LwIP库的开发，设计发送数据和接收数据的相关回调函数，设计向上位机传输传感器采样得到的六根液压杆杆长数据的传输函数，配置目标地址端口；
[0013]2.3传输帧格式设计，通过对传输帧不同位赋予不同的含义从而实现上位机和控制器对命令帧和数据帧的区分；
[0014]2.4数据帧长度的设计，设计传感器采样点的位宽和每数据帧包括的采样点数，通过对传输缓冲区乒乓操作降低传输等待时间；
[0015]步骤三，PS和PL之间的AXI总线数据传输模块设计，包括以下子步骤：
[0016]3.1设计PL端HLS AXI
‑
Lite接口，通过AXI
‑
Lite IP内的寄存器接收PS端传来的增量PID模块的参数；
[0017]3.2设计和配置PL端到PS端传感器数据传输相关AXI
‑
Stream IP，将传感器采样数据从FIFO中批量传回PS端并且产生PS端中断信号；
[0018]步骤四，液压杆长度控制模块设计，包括以下子步骤；
[0019]4.1外部SSI长度传感器和DAC伺服阀控制模块的驱动设计；
[0020]4.2传感器数据格式转换和定点浮点转换；
[0021]4.3增量PID模块的verilog实现。
[0022]进一步地，所述步骤一中，所述HLS实现六自由度并联平台的反解算法IP设计，数据传输和外部驱动包括：TCP数据传输模块设计，AXI
‑
Lite接口和AXI
‑
Stream数据传输接口设计，增量PID控制模块设计，SSI长度传感器驱动模块设计，DAC驱动模块设计。
[0023]进一步地，所述步骤一中，六自由度并联平台的反解算法IP的设计过程如下：
[0024]a)反解算法IP根据传入的运动台面的角度信息求出相应的正余弦值后带入位姿变换矩阵x，y，z三个方向角度和三个位姿变换矩阵的函数关系如下所示：
[0025][0026][0027][0028]b)通过x，y，z三个方向的位姿变换矩阵相乘得到台面和基座两坐标系间的角度位姿变化矩阵tfBP；
[0029]tf
BP
＝rot
z
(orints[3])*rot
y
(orints[2])*rot
x
(orints[1])
[0030]其中，orints[1]，orints[2]，orints[3]分别为运动台面绕x，y，z三轴转角；
[0031]c)通过运动台面位姿信息形成的角度位姿变换矩阵tf
BP
和运动台面x，y，z三个方向的位移trans，初始情况下基座坐标系原点到台面坐标系原点的向量height，液压杆和台面连接点坐标joint
plat
[i]，液压杆和基座连接点坐标joint
base
[i]，计算出在基座坐标系下运动台面和液压杆连接点坐标值，进而计算出六个液压杆在基座坐标系下的空间向量leg[i]，i∈[1，6]代表六根液压杆；
[0032]leg[i]＝trans+height+tf
BP
*joint
plat
[i]‑
joint
base
[i][0033]对leg[i]向量取模后得到液压杆长度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法，其特征在于，包括：步骤一，HLS实现六自由度并联平台的反解算法IP；基于台面质心坐标系和基座质心坐标系的空间坐标变换，根据台面的期望位姿和平台结构参数，求解出六自由度并联平台的六根液压杆长度；基于HLS的优化方法，通过插入流水线设计提升IP运算的数据吞吐量，降低求解延迟；使用不同位宽的定点数降低求解复杂度，保证求解精度的情况下提升求解速度；步骤二，以太网数据传输模块设计，包括以下子步骤：2.1 TCP连接状态检测定时器初始化，通过定时器周期性监听TCP连接是否存在，若检测到连接断开则重新建立连接；2.2 LwIP库的开发，设计发送数据和接收数据的相关回调函数，设计向上位机传输传感器采样得到的六根液压杆杆长数据的传输函数，配置目标地址端口；2.3传输帧格式设计，通过对传输帧不同位赋予不同的含义从而实现上位机和控制器对命令帧和数据帧的区分；2.4数据帧长度的设计，设计传感器采样点的位宽和每数据帧包括的采样点数，通过对传输缓冲区乒乓操作降低传输等待时间；步骤三，PS和PL之间的AXI总线数据传输模块设计，包括以下子步骤：3.1设计PL端HLS AXI
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Lite接口，通过AXI
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Lite IP内的寄存器接收PS端传来的增量PID模块的参数；3.2设计和配置PL端到PS端传感器数据传输相关AXI
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Stream IP，将传感器采样数据从FIFO中批量传回PS端并且产生PS端中断信号；步骤四，液压杆长度控制模块设计，包括以下子步骤；4.1外部SSI长度传感器和DAC伺服阀控制模块的驱动设计；4.2传感器数据格式转换和定点浮点转换；4.3增量PID模块的verilog实现。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，所述HLS实现六自由度并联平台的反解算法IP设计，数据传输和外部驱动包括：TCP数据传输模块设计，AXI
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Lite接口和AXI
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Stream数据传输接口设计，增量PID控制模块设计，SSI长度传感器驱动模块设计，DAC驱动模块设计。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，六自由度并联平台的反解算法IP的设计过程如下：a)反解算法IP根据传入的运动台面的角度信息求出相应的正余弦值后带入位姿变换矩阵x,y,z三个方向角度和三个位姿变换矩阵的函数关系如下所示：所示：
b)通过x,y,z三个方向的位姿变换矩阵相乘得到台面和基座两坐标系间的角度位姿变化矩阵tf
BP
；tf
BP
＝rot
z
(orints[3])*rot
y
(orints[2])*rot
x
(orints[1])其中，irints[1],orints[2],orints[3]分别为运动台面绕x,y,z三轴转角；c)通过运动台面位姿信息形成的角度位姿变换矩阵tf
BP
和运动台面x,y,z三个方向的位移trans，初始情况下基座坐标系原点到台面坐标系原点的向量height，液压杆和台面连接点坐标joint
plat
[i]，液压杆和基座连接点坐标joint
base
[i]，计算出在基座坐标系下运动台面和液压杆连接点坐标值，进而计算出六个液压杆在基座坐标系下的空间向量leg[i]，i∈[1,6]代表六根液压杆；leg[i]＝trans+height+tf
BP
*joint
plat
[i]
‑
joint
base
[i]对leg[i]向量取模后得到液压杆长度|leg[i]|。4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，步骤b)中矩阵连乘操作需要多次并行化访问位姿变换矩阵中的数据，将矩阵变量添加HLS中的ARRAY_PARTITION数据分块实现方式，对相乘的左右矩阵分别按照行和列进行分块存储，实现乘法运算的并行计算，从而对数据访问的并行性进行优化。5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，考虑到解算的速度要求，HLS支持自定义定点数总位宽和小数部分位宽，通过HLS ap_fixed自定义数据类型降低定点数总位宽至16位
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32位，并将小数部分位宽设置为总位宽的一半，在保证精度的情况下提升解算速度。6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，以太网数据传输模块的设计，具体为：a)控制器上电后进行初始化操作，包括TCP连接状态检测定时器初始化，GPIO初始化，LwIP相关参数初始化，DMA中断函数初始化；b)控制器监听上位机IP地址和端口，上位机通过TCP连接向控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世阳，陈积明，史治国，赵成成，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：