基于SOPC平臺遠程機器人控制系統的設計

黎會鵬，馮　杰

（黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃岡 438000）

基于SOPC平臺遠程機器人控制系統的設計

黎會鵬，馮杰

（黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃岡 438000）

本設計基于SOPC嵌入式平臺，提出了機器人遠程控制系統的初級方案。該系統的硬件由DE1-SoC控制板、WiFi無線節點模塊和履帶機器人驅動電路等組成。軟件基于Altera公司的Qsys平臺，根據需要搭建控制器和外設框架，利用C語言采取模塊化編程，驅動外圍硬件電路，實現了機器人的運動控制。

SOPC；DE1-SOC；WiFi；Qsys

可編程片上系統（System on a Programmable Chip，SOPC），它是用可編程邏輯技術把整個系統集成到一塊硅片上，用于嵌入式系統的研究和電子信息處理。它具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

無線網絡技術飛速發展進一步促進了網絡技術在機器人的控制領域的應用，基于網絡的機器人控制技術也從初期的遙操作機器人的應用逐步擴展到分布式機器人系統等研究領域。

1　系統方案

機器人遠程控制系統的本質是人機之間，以及機器設備之間的協同和合作，機器人控制設計采用ALTERA公司的Cyclone V FPGA芯片平臺，基于Nios Ⅱ嵌入式處理器進行設計。該處理器是具有32位指令集的第二代片上可編程的軟核處理器, 其最大優勢和特點是模塊化的硬件結構, 以及由此帶來的靈活性和可裁減性。

機器人作為網絡數據的連接終端，將WiFi節點模塊通過AT指令配置，連接到服務端，建立數據鏈路。此時，服務端的控制指令可以通過WiFi傳送到單機器人平臺。平臺根據指令譯碼程序，調整機器人運動方向和機械臂動作。

1.1控制端

監控中心采用C/S架構，完成客戶端登錄信息的監聽，待客戶機登錄后，通過以太網進行通信。操作員通過控制界面可以在對該系統進行操作，也可通過板載的按鍵或重力傳感器檢測傾角對機器人的運動進行控制。

1.2無線通信的實現

本設計采用WiFi聯網方式在客戶端和服務器端進行數據交換，WiFi是一種無線聯網技術，能夠將個人電腦、手持設備（如pad、手機）等終端以無線方式互相連接 。

1.3控制終端

機器人連接WiFi智能控制終端，終端設置成客戶機模式，上電后監測服務器狀態，申請連接。接收服務器端的操作指令，經過指令譯碼后控制各執行機構動作，執行機器人的速度控制以及前進、后退、轉彎控制、六自由度機械手的操作。

2　系統硬件總體設計

整個控制系統主要包括電源、控制器、存儲系統、電機驅動電路、WiFi網絡通信接口等資源。

機器人控制采用友晶科技的DE1-SoC開發板進行設計，該硬件采用ALTERA公司的Cyclone V FPGA芯片為控制核心，通過AT指令配置WiFi節點模塊為STA模式，設置鏈路網絡信息和通信端口。根據接收到的服務端的指令，控制相應的驅動電路，完成機器人的運動控制，控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1　機器人結構框圖

2.1無線模塊

本設計選用匯承科技推出的全新HC-21（S2WM02WiFi）模塊，是基于UART接口的符合WiFi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧， 能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的轉換。

2.2電機驅動器

機械手伺服電機驅動器選用parallax公司的Servo Controller模塊，用于驅動控制Hitec公司的HS-645MG大扭矩舵機，完成機械手的操作。

2.3六自由度機械手

機械手為德普斯機械手，它主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等組成。該機械手由6個伺服電機作為動力系統，其構造仿生于人類的手臂，能夠靈活地全方位轉動，完成各項命令。

2.4車體動力部分

本系統主要采用履帶結構，共有4組直流伺服電機驅動輪。履帶式機器人具有動載荷小，設計緊湊等特點。它能夠平穩、迅速、安全地通過各種復雜路況。履帶上有花紋，所以在雪、雨、冰、上坡等路面上能牢牢地抓住地面、不會滑轉。

3　系統軟件總體設計

Altera公司在QuartusII 11.0版本中就正式使用Qsys作為主要的SOPC工具，Qsys系統集成工具自動生成互聯邏輯，能自動連接集成的知識產權（IP）功能和自定義子系統，從而顯著節省了時間，減輕了FPGA開發工作量。與之前發行的SOPC Builder版本相比，提高了性能，增強了設計重用功能，更迅速的進行驗證。

本設計根據設計需要，利用Qsys平臺搭建了功能系統，主要包含了幾個組件：NiosII Processor、onchip_ memory，timer，jtag_uart，uart和pio。系統架構如圖2所示。外設中斷號和和基地址有系統自動分配，也可根據設計本身進行修改。

系統軟件基于eclipse平臺進行設計和編譯，采用C語言編程。

3.1初始化函數設計

系統正常工作前，將配置模塊的外設資源進初始化，主要包括WiFi模塊配置初始化、定時器初始化、舵機控制器初始化等操作。

3.2控制信息處理

機器人和控制端通過WiFi進行通信，通過軟件監聽WiFi模塊接收的數據，根據解碼協議定義功能函數，將控制命令轉發給處理單元。

3.3機械手控制

根據控制單元轉發的信息，驅動關節電機進行操作。

3.4車體運動控制

根據解碼控制單元轉發的信息，驅動車體直流驅動電機，進行相應的速度調節和位置控制。

圖2　Qsys系統框架圖

4　結語

本設計圍繞DE1-SOC平臺應用展開研究，進行嵌入式現場控制器軟硬件系統平臺設計以及應用軟件設計。將履帶機器人作為對象，經過軟硬件調試，機器人能正常工作，實現遠程網絡控制功能，可廣泛應用于科研和教學領域。

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Remote robot control system design based on SOPC platform

Li Huipeng, Feng Jie
（Electronic and Information School of Huanggang Normal University, Huanggang 438000,China）

A preliminary programme about robot remote control system is presented based on SOPC embedded platforms. The hardware of the system consists of DE1-SoC board, WiFi wireless node module and tracked robot driving circuit and so on. Software is based on Altera Qsys platform to build framework for controllers and peripherals according to demands, and using C language to modular programming and drive peripheral hardware, which fulfill the motion control of robots.

SOPC; DE1-SOC; WiFi; Qsys

黃岡師范學院轉型發展項目；項目編號：zxfz2016B008，zxfz2016A014。

黎會鵬（1981— ），男，湖北荊門，碩士，講師；研究方向：嵌入式系統設計。