CN103984349A - 一种基于sopc的空间绳系机器人控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法，包括FPGA模块，该FPGA模块包括处理器，以及与处理器相连的PIO外设和UART内核，所述PIO外设通过通用I/O连接喷气推进装置；所述UART内核通过CAN通信网络与测量系统相连以实时采集空间绳系机器人的动力学和运动学信息，所述UART内核通过RS232接口与动力学仿真系统相连以接收理想的动力学和运动学信息，所述UART内核通过外接无线模块和空间搭载平台模拟系统进行通信以接收空间搭载平台的指令。本发明集成度高，体积小，软件可移植性好，FPGA内嵌的Nios II系统可定制，开发周期短，易升级。能够用于空间绳系机器人的地面实验。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法。
背景技术
空间绳系机器人主要用于抓捕和清理失效卫星等空间垃圾和进行卫星维护等工作，这种“空间搭载平台+系绳+抓捕机器人”的绳系结构，相比一般的“平台+多自由度机械臂+机械手”结构，能够提供更远的工作距离和更高的可靠性。但是，由于空间绳系机器人特殊的绳系结构，其工作时存在着无法避免的系绳干扰；另外，基于空间环境、成本、实用性等方面来考虑，空间绳系机器人在重量、体积和功耗等方面又有着严格的要求和限制。因此，对于空间绳系机器人的控制系统提出了以下方面的任务需求：
（1）空间绳系机器人的姿态和轨道控制
因为空间绳系机器人存在一个释放系绳并向操作目标机动的过程，在这个过程中，存在诸多外界干扰；同时，在机器人进行抓捕操作时，其相对操作目标的姿态和轨道必须保持稳定。因此，空间绳系机器人控制系统的核心任务就是实现空间绳系机器人向操作目标机动过程中的轨道控制与姿态稳定，以及执行抓捕任务时相对操作目标的轨道和姿态稳定。
（2）空间绳系机器人内部的数据流控制
空间绳系机器人控制系统接收到视觉测量系统和惯性测量系统提供的测量数据后进行位置和姿态确定，经过计算后，形成控制信号来控制喷气推进装置，进而来调整空间绳系机器人本体的姿态，或进行轨道机动；另外，空间绳系机器人控制系统还要与其他系统协调工作来控制抓捕执行机构。因此，空间绳系机器人控制系统与测量系统，喷气推进装置和其他系统之间的数据流控制是空间绳系机器人控制系统的任务需求之一。
（3）空间绳系机器人和空间搭载平台间的数据通信
因为空间搭载平台必须获得空间绳系机器人的状态信息，才能有效地控制系绳的释放、回收、拖曳、切断等动作；另外，平台也需要向空间绳系机器人发送一些测量数据和控制指令。因此，空间绳系机器人与空间搭载平台间的数据通信任务也必须由空间绳系机器人控制系统来承担。
综上所述，空间绳系机器人控制系统承担着空间绳系机器人的轨道和姿态控制计算、输出喷气阀控制信号和与其他系统和空间搭载平台的通信等任务，关系到空间绳系机器人系统的任务实现和可靠性，是空间绳系机器人研究中的关键技术之一。
发明内容
为了完成空间绳系机器人姿态轨道控制算法的地面验证和空间绳系机器人相关的地面实验，本发明提供了一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：包括FPGA模块，该FPGA模块包括Nios II处理器，以及与Nios II处理器相连的PIO外设和UART内核，所述PIO外设通过通用I/O连接喷气推进装置；所述UART内核通过CAN通信网络与测量系统相连以实时采集空间绳系机器人的动力学和运动学信息，所述UART内核通过RS232接口与动力学仿真系统相连以接收理想的动力学和运动学信息，所述UART内核通过外接无线模块和空间搭载平台模拟系统进行通信以接收空间搭载平台的指令。
所述FPGA进一步包括有Avalon总线，所述处理器通过指令总线和数据总线与Avalon总线连接，所述PIO外设及UART内核分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线上。
所述控制系统进一步包括有串行配置存储器EPCS16模块和SDRAM模块，所述FPGA进一步包括有SDRAM控制器和EPCS控制器，所述SDRAM控制器和EPCS控制器分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线；所述FPGA内的SDRAM控制器通过地址、数据和控制信号连接到SDRAM模块；所述FPGA内的EPCS控制器通过FPGA芯片上指定的引脚连接到串行配置存储器EPCS16。
所述FPGA进一步包括有系统ID和JTAG UART，JTAG UART使用FPGA内嵌的JTAG电路，上位机通过JTAG专用引脚访问JTAG电路，通过JTAG与FPGA实现连接；系统ID通过Avalon总线与处理器连接。一种基于以上控制系统的控制方法，FPGA的处理器接收到空间搭载平台的释放指令后，将接收的实时动力学和运动学信息和理想的动力学和运动学信息比较后，经计算形成喷气占空比数据，通过PIO外设传送给喷气推进装置，以调整姿态。
所述控制方法包括逼近段、调准段和捕获段，当空间搭载平台模拟系统启动释放命令后，测试系统即进入逼近段仿真，动力学仿真系统进入逼近动力学计算，根据权利要求5的方法调整位姿，然后进入到调准段，采用权利要求5的方法进行位姿调准，结束后进入到捕获段，再根据权利要求5的方法进行更精确的调整，最后执行捕获操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明基于SOPC技术，选用Altera公司Cyclone II系列的FPGA作为主处理器，它提供了丰富的内部资源，具有很强的性能和极低的功耗，能够达到系统功能及性能的要求，与ARM和DSP相比其开放性高，软件可移植性好。
（2）FPGA内嵌的Nios II系统可根据用户需求自定制，包含多种方便实用的周边设备，集成度高，开发周期短，升级容易。
（3）选择国际上应用最广泛的现场总线之一，CAN作为空间绳系机器人控制系统与测量系统及其他系统之间的通信网络，组网灵活，实时性好，软件开销小，可靠性高。
附图说明
图1为空间绳系机器人控制系统任务需求示意图。
图2为空间绳系机器人控制系统整体结构框图。
图3为空间绳系机器人控制系统地面测试试验系统框图。
图4为空间绳系机器人逼近段、调准段仿真时序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，空间绳系机器人控制系统承担着空间绳系机器人的轨道和姿态控制计算、输出喷气推进执行机构控制信号和与其他系统和空间搭载平台间的通信等任务，关系到空间绳系机器人系统的任务实现和可靠性，具体实施方式如下：
如图2所示，本发明控制系统基于SOPC技术，包括FPGA模块，SDRAM存储器模块，串行配置存储器EPCS16模块，RS232模块，CAN网络模块和无线模块等。
FPGA选用Altera公司推出的Cyclone II系列中的一种，型号为EP2C8Q208C8，内部自定制的Nios II软核包括：Nios II软核处理器1个、Avalon总线1个、JTAG UART1个、系统ID1个、SDRAM控制器1个、EPCS控制器1个、PIO外设为12位宽、UART内核4个。Nios II软核处理器选用全功能型，通过指令总线和数据总线与Avalon总线连接；JTAG UART使用FPGA内嵌的JTAG电路，上位机可以通过FPGA上的JTAG专用引脚来访问JTAG电路，通过JTAG与FPGA实现连接，可进行FPGA配置程序下载、应用程序下载和在线调试；系统ID通过Avalon总线与Nios II软核处理器相连接，它为每个Nios II处理器提供一个唯一的身份标识符，可防止程序下载错误；SDRAM控制器、EPCS控制器、PIO外设、UART内核分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线上，进而与Nios II软核处理器进行信息交互；PIO外设通过12位宽的通用I/O口与喷气阀控制信号连接，进而输出喷气占空比来控制喷气推进执行机构，进而调整轨道或姿态；UART内核通过配置好的通用I/O口与单片机串口连接，并外加CAN收发器即构成CAN网络模块，在测量系统作为CAN节点接入CAN网络后，即可进行通信，这里单片机选用Silicon Laboratory公司集成CAN控制器的C8051F502芯片，CAN收发器型号为CTM1050T；UART内核通过配置好的通用I/O口经电平转换后构成RS232模块，不经过电平转换而直接外接串口转WIFI模块后构成无线模块，进而和空间搭载平台进行通信。
FPGA内的SDRAM控制器通过地址、数据和控制信号连接到SDRAM存储芯片HY57V641620HG，完成SDRAM存储芯片的所有逻辑，使得设计者可以方便地将片外的SDRAM芯片连接到自定制的Nios II系统中来，SDRAM存储芯片主要用于存储应用程序和所需的变量。
FPGA内的EPCS控制器通过FPGA芯片上指定的引脚连接到串行配置存储器EPCS16，EPCS16芯片主要用于存储FPGA的配置信息。
本发明控制系统采用5V直流电源供电，因为FPGA芯片需要提供3.3V，1.2V两种不同的电压，用来作为CAN控制器的单片机还需要提供2.5V电压，所以需要将5V电压转换为这三种不同的电压。选用的将5V转换为3.3V的芯片为Texas Instruments公司的TPS54316，将3.3V转换为1.2V的芯片为SIPEX公司的SPX3819M5-L-1-2，将5V转换为2.5V的芯片为Advanced Monolithic Systems公司的AMS1117系列芯片。
下面通过一个地面测试试验来具体介绍本发明的工作过程。
测试系统框图如图3所示。测试系统中的空间绳系机器人由空间绳系机器人控制系统、视觉测量系统、惯性测量系统、喷气推进执行机构和无线模块组成。视觉测量系统和惯性测量系统提供实时相对动力学和运动学信息，通过CAN网络传输到NIos II处理器中。动力学仿真系统、空间搭载平台模拟系统和人机交互系统是三台PC机，它们之间通过以太网连接，进行通信。动力学仿真系统仿真空间绳系机器人和目标的动力学和运动学，实时生成理想相对动力学和运动学信息，通过RS232接口传输到Nios II处理器中；空间搭载平台模拟系统模拟空间机动平台，通过无线模块接收空间绳系机器人的状态信息并发出指令；人机交互系统作为主控系统参与整个任务流程，显示各个任务段的相关信息。
测试试验中设计的空间绳系机器人的工作过程为：空间绳系机器人接收到空间搭载平台的释放指令后，在Nios II处理器中将实时动力学和运动学信息和理想动力学和运动学信息进行比较，并根据控制算法进行计算，形成喷气占空比数据，传送到Avalon总线上，并经12位宽的PIO接口传送给喷气推进执行机构，喷气推进执行机构随即开始工作，粗略调整姿态，使绳系机器人逼近目标；当距离目标较近时，采用精度更好的控制算法，计算得到喷气占空比，进一步调整位姿，对准目标；当进入捕获范围时，进行更精确的位姿调整，然后进入捕获准备状态。根据空间绳系机器人的工作过程，可以将测试试验相应地分为以下三个阶段：逼近段，调准段和捕获段。
当空间搭载平台模拟系统启动释放命令后，测试系统即进入逼近段仿真。动力学仿真系统开始进行逼近动力学计算，主定时器内逼近段的计算时序如图4所示。计算得到位姿数据后，通过以太网将喷气占空比、位姿数据等发送给人机交互系统，满足阶段完成条件后，本阶段仿真结束，开始进入调准段仿真。
在调准段中，动力学仿真系统开始进行调准动力学计算，计算时序和逼近段相同，只是姿态控制算法不同。计算得到位姿数据后，将喷气占空比、位姿数据等发送给人机交互系统，满足阶段完成条件后，本阶段仿真结束，开始进入捕获段仿真。
捕获段中，动力学仿真系统继续进行动力学计算，对空间绳系机器人的位置和姿态进行更精确的调整，当满足阶段完成条件后，本阶段仿真结束，下面即可执行捕获操作。
测试试验结果表明：
（1）空间绳系机器人控制系统能够满足位置姿态控制算法的性能需求；
（2）空间绳系机器人控制系统与喷气推进执行机构间的I/O接口输出正常，能够准确地完成对喷气阀的控制；
（3）空间绳系机器人控制系统与空间搭载平台间的数据通信正常。
所以，本发明能够满足空间绳系机器人的任务需求。
Claims (6)
1.一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：包括FPGA模块，该FPGA模块包括Nios II处理器，以及与Nios II处理器相连的PIO外设和UART内核，所述PIO外设通过通用I/O连接喷气推进装置；所述UART内核通过CAN通信网络与测量系统相连以实时采集空间绳系机器人的动力学和运动学信息，所述UART内核通过RS232接口与动力学仿真系统相连以接收理想的动力学和运动学信息，所述UART内核通过外接无线模块和空间搭载平台模拟系统进行通信以接收空间搭载平台的指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：所述FPGA进一步包括有Avalon总线，所述处理器通过指令总线和数据总线与Avalon总线连接，所述PIO外设及UART内核分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：所述控制系统进一步包括有串行配置存储器EPCS16模块和SDRAM模块，所述FPGA进一步包括有SDRAM控制器和EPCS控制器，所述SDRAM控制器和EPCS控制器分别通过定义的Avalon接口连接到Avalon总线；所述FPGA内的SDRAM控制器通过地址、数据和控制信号连接到SDRAM模块；所述FPGA内的EPCS控制器通过FPGA芯片上指定的引脚连接到串行配置存储器EPCS16。
4.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统，其特征在于：所述FPGA进一步包括有系统ID和JTAG UART，JTAG UART使用FPGA内嵌的JTAG电路，上位机通过JTAG专用引脚访问JTAG电路，通过JTAG与FPGA实现连接；系统ID通过Avalon总线与处理器连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的空间绳系机器人控制系统的控制方法，其特征在于：FPGA的处理器接收到空间搭载平台的释放指令后，将接收的实时动力学和运动学信息和理想的动力学和运动学信息比较后，经计算形成喷气占空比数据，通过PIO外设传送给喷气推进装置，以调整姿态。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括逼近段、调准段和捕获段，当空间搭载平台模拟系统启动释放命令后，测试系统即进入逼近段仿真，动力学仿真系统进入逼近动力学计算，根据权利要求5的方法调整位姿，然后进入到调准段，采用权利要求5的方法进行位姿调准，结束后进入到捕获段，再根据权利要求5的方法进行更精确的调整，最后执行捕获操作。
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