CN111791232B

CN111791232B - 一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法

Info

Publication number: CN111791232B
Application number: CN202010497518.6A
Authority: CN
Inventors: 白迪; 崔勇强
Original assignee: South Central University for Nationalities
Current assignee: Wuhan Weiwen Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-06-03
Also published as: CN111791232A

Abstract

本发明公开了一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法，该系统及方法基于内嵌FPGA+ARM核的高速处理SOC芯片搭载所有传感器，实现整个底盘控制系统算法。相比FPGA+ARM的异构分离方案，本发明可进一步提高系统的集成度以及通信互联速率。借助FPGA高效强大的并行处理能力，可实时处理所有传感器的数据请求及响应；同时，在FPGA内构建全局时钟模块，FPGA在处理传感器数据时根据时钟模块自动标注时间戳，将所有的传感器数据组装成帧发送至ARM核内。ARM负责逻辑协议解析及控制进程调度，起承上启下的作用，进行下位机网络通信协议的封装、上传及上位机下达指令的解析、任务调度。本发明确保机器人底盘控制系统控制能够有效解决数据传输延时问题，具备良好的应用前景。

Description

一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法

技术领域

本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法。

背景技术

随着工业4.0的发展，医疗、工业、电力、农业、公安等各个行业涌现了各种类型的机器人，机器人的需求量也出现了井喷的状态。而，底盘是机器人平稳、鲁棒运行的核心部件。现有的机器人的底盘，均考虑在控制系统内基于ARM的STM32芯片作为控制中枢，实现对底盘的控制。因其成本低廉，开发便捷，生产周期较短，已得到的广泛的应用。

随着工业环境的复杂度逐步提高、工业的监测和探测需求日益增强，意味着机器人作业所需搭载的传感器的数量增多，而基于ARM的串行控制总线虽然控制流程简单，但是在应对众多传感器的数据请求时，存在延时不确定、请求无法及时响应等缺陷，进而导致出现控制精度低、卡顿等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术在应对众多传感器的数据请求时，存在延时不确定、请求无法及时响应的缺陷，提供一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统，包括：内嵌ARM处理器和FPGA的控制处理模块，以及电性连接到所述ARM处理器的上位机；

多个传感器挂载到FPGA，由FPGA实时处理所有传感器的数据请求及响应；其中，采用时间硬同步技术根据请求数据的读取时刻，为每项请求数据标记时间戳，再依次进行组帧、封装操作后，将封装后的数据传输到ARM处理器；其中：

在组帧的时候，将数据帧格式的首尾分别设为帧头和校验；将每帧的起始位置记为时间戳的基准时间，且，每个传感器的数据后紧跟该传感器数据的时间戳相对基准时间的偏差，记为时偏，每个传感器对应一个时偏；

由所述ARM处理器上传至上位机进行汇总、分析和处理后，输出响应指令，并经由所述ARM处理器下发响应指令到FPGA；由FPGA执行上位机下发的响应指令，控制传感器的执行响应动作，其中：

当封装后的帧数据经由ARM处理器上传到上位机后，基于上位机内设置的处理程序，将基时间加上各自的时偏，即得到各个传感器本身时间戳的绝对值；当前，即可通过上位机有效的对各个传感器的上传数据进行实时控制。

本发明公开的一种根据上述的基于时间硬同步的机器人底盘控制系统实现机器人底盘控制方法，包括以下步骤：

S1、启动机器人底盘控制系统，由FPGA实时处理所有传感器的数据请求；

S2、在FPGA读取到请求数据时，利用所述全局时钟模块来获取请求数据的读取时刻；

S3、所述传感器数据处理及时间戳标记模块采用时间硬同步技术，根据请求数据的读取时间，来为每项请求数据标记时间戳，并依次进行组帧、封装操作；其中：

S4、在封装后的数据传输到ARM处理器后，由所述ARM处理器上传至上位机进行汇总、分析和处理后，输出响应指令，并经由所述ARM处理器下发响应指令到FPGA；由FPGA执行上位机下发的响应指令，控制传感器的执行响应动作，其中：

实施本发明的一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法，利用机器人地盘控制系统的高集成度，对FPGA所搭载的各类型传感器检测到的数据，进行高精度、低延时处理，确保对传输数据的延时控制和及时响应；且，本系统相比于FPGA+ARM的异构分离方案，可以进一步提高系统的集成度以及FPGA和ARM核之间的通信互联速率；且，在FPGA内构建全局时钟模块，在应对众多传感器的数据请求时，解决了请求无法及时响应，进而导致控制精度低、卡顿等问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明公开的一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统结构图；

图2是FPGA内部时间硬同步的实施方案图；

图3是由FPGA传输的带时间戳的帧格式数据结构图；

图4是FPGA挂载到传感器的实施方案图；

图5是ARM处理器软件控制流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明基于内嵌FPGA+ARM核的高速处理SOC芯片搭载所有传感器，实现整个底盘控制系统算法。本发明公开的方案可进一步提高系统的集成度，以及FPGA和ARM核之间的通信互联速率。

实施例1：

请参考图1，其为本发明公开的一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统结构图，本发明公开的一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统，包括一体化集成的SOC芯片，在所述SOC芯片中内嵌有ARM处理器和FPGA器件，所述FPGA器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。

所述机器人底盘控制系统还包括通过RS232串口电性连接到ARM处理器的上位机；

当多个用于监测机器人底盘控制参数的传感器(参考图1中的传感器1、传感器2…)挂载到FPGA，基于FPGA的并行处理特点，由FPGA实时处理所有传感器的数据请求及响应。

所述传感器数据包括电池包相关数据、角度测量相关数据、红外防跌相关数据、电机转速等；其中，所述电池包相关数据包括单体过压、释放电压、单体欠压；所述角度测量相关数据可以为机器人关节角移动数据，通常可以使用安装在关节上的角度传感器直接测量；所述红外防跌相关数据包括通过使用红外测距传感器，通过检测出机器人离前方障碍物之间的距离，从而让机器人考虑是否绕道而行；所述电机转速包括通过转速传感器进行电机转速数据的测量。各路传感器通过不同的接口与FPGA互联，具体的可参考图2，其为FPGA内部时间硬同步的实施方案图，本实施例下，在FPGA内设有多个传感器驱动处理模块(即图2中驱动)，其中，每个传感器连接到一个对应的驱动，所述传感器通过管脚连接到驱动，进一步挂载到FPGA。

为避免由于传感器种类多，相互之间速率无法匹配，导致时间不同步的缺陷，本实施例下，在FPGA内构建高精度的全局时间模块，采用时间硬同步技术根据请求数据的读取时刻，为每项请求数据标记时间戳，再依次进行组帧、封装操作后，将封装后的数据传输到ARM处理器；具体的，FPGA内部时间硬同步的实施方案可参考图2。

本实施例下，在FPGA内设有全局时钟模块和传感器数据处理及时间戳标记模块；其中：

上述两个模块于传感器之间的连接关系为：

所述全局时钟模块经时钟总线连接到传感器数据处理及时间戳标记模块；

所述传感器数据处理及时间戳标记模块电性连接到每个传感器驱动处理模块；

这样即可在所述全局时钟模块通过时钟总线连接到传感器数据处理及时间戳标记模块后，进一步互联到每一个传感器驱动处理模块。

基于所述全局时钟模块和传感器数据处理及时间戳标记模块，实现时间硬同步的过程为：

首先，当FPGA接收到请求数据的时候，所述请求数据的作用包括当上位机通过SOC芯片请求传感器传输数据的时候，由所述上位机通过发送请求数据指令，进一步实现；基于所述全局时钟模块获取请求数据的读取时刻；

其次，在时间数据经由时钟总线传输到传感器数据处理及时间戳标记模块后，由所述传感器数据处理及时间戳标记模块为每项请求数据标记时间戳，并依次进行组帧、封装操作；其中，封装后的数据格式可参考图3，其为由FPGA传输的带时间戳的帧格式数据结构图；

从图3可知，数据帧格式的首尾分别是帧头和校验，且，在每帧的最开始位置为时间戳的基准时间，记为基时间，每个传感器的数据后紧跟该传感器数据的时间戳相对基准时间的偏差，记为时偏，故每个传感器对应一个时偏；

最后，当该帧数据经由ARM处理器上传到上位机后，基于上位机内设置的处理程序，将基时间加上各自的时偏，即得到各个传感器本身时间戳的绝对值。

以上便是时间硬同步的执行步骤，在FPGA和ARM共同协调作用的情况下，有效的对各个传感器的上传数据进行实时控制，避免的数据请求时存在延时的弊端。

每个带上时间戳的传感器数据经由所述ARM处理器上传至上位机进行汇总、分析和处理后，由上位机输出响应指令，并经由所述ARM处理器下发响应指令到FPGA；由FPGA执行上位机下发的响应指令，控制传感器的执行响应动作。

本实施例公开的实施方案进一步提高了系统的集成度以及FPGA和ARM核之间的通信互联速率。借助FPGA强大的并行处理能力，在应对众多传感器的数据请求时，基于时间硬同步技术，解决了传输数据的延时问题，有效的提高了系统的控制精度。

实施例2：

当FPGA内没有相关的串口可以挂载到传感器时，例如，FPGA内没有485串口，但由于485总线串口时目前工业应用最多、最常见的总线形式。在需要通过485串口与外部传感器互联时，可考虑在FPGA内部通过软件模拟485通信协议，然后外挂485电平转换芯片，将FPGA的1.8VTTL电平转换至485串口所需的电平，进而实现FPGA通过485串口与外界传感器的通信互联。

具体的可参考图4，其为FPGA挂载到传感器的实施方案图，本实施例下，考虑在所述传感器驱动处理模块中分别设置处理器及存储器，其中，编写的模拟485通信协议的执行程序即可存储到所述存储器内，当存储器内存储的通信协议执行程序被处理器执行时，基于所述传感器驱动处理模块来模拟串口通信协议。此时，FPGA即可基于485串口建立于外部传感器之间的通信互联，为保证FPGA输出的TTL电平于485串口所需的电平相适应，此时外挂一个电平转换芯片，在将FPGA的TTL电平经由电平转换芯片转换至所需电平后，在串口通信模式下，建立FPGA与传感器之间的通信互联。

本实施例下，基于驱动内编写的模拟串口通信协议保证了FPGA与传感器之间的稳定连接，有效的保证了数据传输的实时性。

实施例3：

为保证ARM处理器上报数据不丢、不漏，本实施例下，在FPGA被设有一个缓冲模块，所述缓冲模块可采用FIFO缓冲器，FIFO缓冲器是系统的缓冲环节，如果没有FIFO缓冲器，整个系统就不可能正常工作，它主要有几方面的功能：

1)对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；

2)数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻CPU的负担；

3)允许系统进行DMA操作，提高数据的传输速度。这是至关重要的一点，如果不采用DMA操作，数据传输将达不到传输要求，而且大大增加CPU的负担，无法同时完成数据的存储工作。

因此，选择合适的缓存芯片对于提高系统性能很重要，从数据传输上说，缓存芯片容量越大，对后续时序要求就越低，可减少总线操作的频次；但从数据存储上说，就意味着需要开辟更大的内存空间来进行缓冲，会增加计算机的内存开销，而且容量越大，成本也越高。因此，在综合考虑系统性能和成本的基础上，选择满足系统需要的芯片即可。

FIFO通常是作为数据缓冲结构，一般用于不同时钟域之间的数据传输，比如FIFO一端是采样速率比较慢的接口，另一端是采样速率比较块的接口。也可以用于输入数据和输出数据位宽不同的情况。

在FPGA内，具体的所述传感器数据处理及时间戳标记模块电性连接到FIFO缓冲器，所述FIFO缓冲器再通过内部高速总线连接到各路传感器；

在利用FIFO缓冲器进行请求数据缓冲的时候：

在由所述传感器数据处理及时间戳标记模块获取到请求数据的读取时间，并为每项请求数据标记时间戳，并依次进行组帧、封装操作后，封装数据经由FIFO缓冲器，实现对数据的缓冲后，再传输到ARM处理器。

实施例4：

结合实施例1-3公开的机器人底盘控制系统，本实施例将进一步说明基于该系统实现机器人底盘控制方法的执行流程，其具体包括以下步骤：

S1、启动机器人底盘控制系统，由FPGA实时处理所有传感器的数据请求；其中：

当前步骤下，为保证FPGA与外部传感器的即时通讯，在FPGA内优先模拟串口通信协议，在基于外挂到电平转换芯片，将FPGA的TTL电平转换至所需电平后，建立与传感器之间的通信互联。

其次，为了保证数据的准确度，当启动机器人底盘控制系统后，由ARM处理器进行系统参数初始化，自检各个传感器的健康状态；

在自检通过的情况下，所述ARM处理器进入工作等待状态。

上述的自检过程可参考图5，当ARM从FLASH读取到系统参数，将参数分发到各个传感器初始化机器人底盘控制系统后，ARM处理器将下发自检指令到各个传感器，自检各个传感器的健康状态；其中，若自检没通过，将结束当前的执行流程。若自检通过，所述ARM处理器将进入工作等待状态。

S3、所述传感器数据处理及时间戳标记模块采用时间硬同步技术，根据请求数据的读取时间，来为每项请求数据标记时间戳，并依次进行组帧、封装操作；

S4、在封装后的数据传输到ARM处理器后，可参考图5，在所述ARM处理器接收到FPGA传输的实时数据后，进入中断服务，更新相应的数据段，并按一定的时间间隔(间隔时间可在上位机内设置)打包，周期性的通过RS232串口上传到上位机，采用周期性数据打包方式，进一步为上位机分析、处理数据提供便利。

最后，在由所述ARM处理器上传至上位机进行汇总、分析和处理后，输出响应指令，并经由所述ARM处理器下发响应指令到FPGA；由FPGA执行上位机下发的响应指令，控制传感器的执行响应动作。

本发明公开的一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统及方法，利用机器人地盘控制系统的高集成度，对FPGA所搭载的各类型传感器检测到的数据，进行高精度、低延时处理，确保对传输数据的延时控制和及时响应；且，本系统相比于FPGA+ARM的异构分离方案，可以进一步提高系统的集成度以及FPGA和ARM核之间的通信互联速率；且，在FPGA内构建全局时钟模块，在应对众多传感器的数据请求时，解决了请求无法及时响应，进而导致控制精度低、卡顿等问题。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于时间硬同步的机器人底盘控制系统，其特征在于，包括：内嵌ARM处理器和FPGA的控制处理模块，以及电性连接到所述ARM处理器的上位机；

当封装后的帧数据经由ARM处理器上传到上位机后，基于上位机内设置的处理程序，将基时间加上各自的时偏，即得到各个传感器本身时间戳的绝对值；当前，即可通过上位机有效的对各个传感器的上传数据进行实时控制；

所述实现时间硬同步的过程为：FPGA内设有全局时钟模块和传感器数据处理及时间戳标记模块，当FPGA接收到请求数据的时候，基于全局时钟模块获取请求数据的读取时刻；在时间数据经由时钟总线传输到传感器数据处理及时间戳标记模块后，由传感器数据处理及时间戳标记模块为每项请求数据标记时间戳，并依次进行组帧、封装操作，其中，由FPGA传输的带时间戳的数据帧格式的首尾分别是帧头和校验，在每帧的最开始位置为时间戳的基准时间，记为基时间，每个传感器的数据后紧跟该传感器数据的时间戳相对基准时间的偏差，记为时偏，每个传感器对应一个时偏；当该帧数据经由ARM处理器上传到上位机后，基于上位机内设置的处理程序，将基时间加上各自的时偏，即得到各个传感器本身时间戳的绝对值。

2.根据权利要求1所述的机器人底盘控制系统，其特征在于，FPGA内设有多个传感器驱动处理模块，每个传感器通过管脚连接到所述传感器驱动处理模块，进一步挂载到FPGA。

3.根据权利要求2所述的机器人底盘控制系统，其特征在于，所述传感器驱动处理模块内设有处理器及存储器，所述存储器内存有定义硬件串口的执行程序，当该执行程序被处理器执行时，基于所述传感器驱动处理模块来模拟串口通信协议，FPGA基于硬件串口外挂到电平转换芯片，并经由所述电平转换芯片连接到每个传感器；

在将FPGA的TTL电平经由电平转换芯片转换至所需电平后，在串口通信模式下，建立FPGA与传感器之间的通信互联。

4.根据权利要求3所述的机器人底盘控制系统，其特征在于，定义的硬件串口包括TTL串口和485串口；

所述ARM处理器通过RS232串口建立与上位机之间的通信。

5.根据权利要求1所述的机器人底盘控制系统，其特征在于，所述全局时钟模块通过时钟总线连接到传感器数据处理及时间戳标记模块后，进一步互联到每一个传感器驱动处理模块。

6.根据权利要求5所述的机器人底盘控制系统，其特征在于，FPGA内还设有FIFO缓冲器，所述传感器数据处理及时间戳标记模块电性连接到FIFO缓冲器，所述FIFO缓冲器电性连接到各路传感器；

通过FIFO缓冲器实现对请求数据的缓冲，保证由所述传感器数据处理及时间戳标记模块组装、封装后的传感器请求数据完整的传输到ARM处理器。

7.一种根据权利要求1-6所述的任一基于时间硬同步的机器人底盘控制系统实现机器人底盘控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、在封装后的数据传输到ARM处理器后，由所述ARM处理器上传至上位机进行汇总、分析和处理后，输出响应指令，并经由所述ARM处理器下发响应指令到FPGA；由FPGA执行上位机下发的响应指令，控制传感器的执行响应动作。

8.根据权利要求7所述的机器人底盘控制方法，其特征在于，步骤S1中，FPGA内首先通过模拟串口通信协议，然后外挂到电平转换芯片；

再将FPGA的TTL电平转换至所需电平后，建立与传感器之间的通信互联。

9.根据权利要求8所述的机器人底盘控制方法，其特征在于，步骤S1中，当启动机器人底盘控制系统后，由ARM处理器进行系统参数初始化，自检各个传感器的健康状态；

在自检通过的情况下，所述ARM处理器进入工作等待状态。

10.根据权利要求7所述的机器人底盘控制方法，其特征在于，所述ARM处理器收到FPGA上传的传感器请求数据后，经过协议封装后通过RS232串口上传到上位机。