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面向空间机器人运动控制的高速协处理器的研究 摘要 机器人运动控制的高速化处理是空间机器人技术领域重要的研究方 向之一。对在空间执行实时任务的机器人系统而言，运动学计算的快速、 高效至关重要，这样才能为机器人完成空间跟踪、捕获、维修提供有力 的支持，为航天任务的实施提供保障。 本文所设计的面向空间机器人控制的高速协处理器，主要完成运动 学正解、运动学反解、目标位置及转换矩阵求解这3 类计算，以及协处 理器配置和出错处理的工作。其中，运动学中的大量超越函数的计算基 于c o i i c 算法。对本文设定的空间6 自由度机械臂模型的正反解运算 提出了一套基于c o i i c 流水结构的算法，并在f p g a 中实现。 另外，该协处理器与中央控制计算机主处理器协同工作，承担着相 当一部份通信、存储器冗余容错功能的逻辑实现。本文重点介绍了协处 理器与主处理器协同工作方式，冷热双冗余c a n 总线系统设计及存储器 e d a c 功能的实现。 论文的主要工作如下： 1 详细分析了超越函数的c o i i c 实现算法，采用c o r d i c 基本 算法模块构建机器人运动学正反解计算的算法结构。 2 提出面向空间机器人运动控制的高速协处理器的总体结构，并基 于该结构确定了c o r d i c 算法实现机器人运动学计算，以及协 处理器配置和出错处理的流程。 3 确定了协处理器与主处理器之间的工作方式，研究了冷热双冗余 的c a n 总线通信系统以及存储器的e d a c 功能实现。 4 对协处理器的功能进行了测试和对比，对整个系统设计进行了总 结并在系统优化方面提出了几点想法。 关键词协处理器空间机器人c o i m i cf p g a 运动学 r e s e a r c ho nh i g hs p e e dc o p r o c e ss o r f o rs p a c er o bo tm o t l 0 n c o n t o r l a bs t r a c t t h eh i g h s p e e dp r o c e s so fk i n e m a t i cc a l c u l a t i o na n dm o t i o nc o n t r o l i sa n i n l p o r t a n t f i e l do fs p a c er o b o tr e s e a r c h t h eh i g h - s p e e da n de 伍c i e n t k i n e m a t i cc a l c u l a t i o ni sc m c i a lf o rr o b o tw h i c he x e c u t e st h er e a lt i m et a s k s t h ei m p l e m e n t a t i o no fs p a c et a s bl i k et r a c i n g ，c 印t u r i n ga n dm a i n t a i n i n ga r e s t r o n g l ys u 印o r t e db y t h eh i g h s p e e da n de m c i e n tc a l c u l a t i o n t h i sp 印e rs t a t e st h ed e s i g no f h i g hs p e e dc o - p r o c e s s o rf o rs p a c er o b o t s h n e m a t i cc o n t r 0 1 i tt 出七sc h a r g ei nt h ec a c u l a t i o n s ，w h i c hi n c l u d et h e f o 聃a r d 虹n e m a t i c ss o l u t i o n ，r e v e r s eh n e m a t i c ss o l u t i o n ，t h ep o s i t i o ns o l u t i o n o fd e s t i n a t i o na n dt h es o l u t i o no ft r a n s l a t e dm a t r i x ，t h ec o n f i g u r a t i o no f c o p r o c e s s o ra n dt h em a n a g e m e n to fe r r o re v e n t t h ec a l c u l a t i o n so f t m s c e n d e n t a l 如n c t i o n si nt h e 虹n e m a t i c su s et h ec o r d i ca l g o r i t h m d u et o t h ec h a r a c t e ro fc a l c u l a t i o n s ，t h i s p a p e ra d v a n c e s a s p e c i a lh i g h s p e e d a l g o r i t h mw h i c hi sd e s i 印e df o rt h eh n e m a t i cc a l c u l a t i o no f6 d o f m a n i p u l a t o rm o d e l t h ea l g o r i t h mi sb a s e do n t h ec o 王t d i cp i p e l i n es t m c t l l r e a n di m p l e m e n ti nf p g a i na d d i t i o n ，t h ec o p i o c e s s o rt a k e sc h a r g ei nt h er e d u n d a n c ea n d t o l e r a n c eo fc o m m u n i c a t i o na n ds t o r g ed e v i c ew h e ni tc o o p e r a t e sw i t ht h e c p u t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ec o o p e r a t i o ns t r a t e g yo fc o p r o c e s s o ra n dt h e c p u ，t h ed e s i g no fd u a l 一r e d u n d a n c yc a nb u sa n dt h ei i n p l e n t i o no fs t o 唱e d e v i c e s e d a cf h n t i o n t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ra sf o l l o w ： 1 t oa n a l y s et h ec o r d i ca l g o r i t h mo ft r a n s c e n d e n t a l 如n c i t o n si n d e t a i la 1 1 dc o n s t m c tt h er o b o t 妯n e m a t i c sf o r 、a r da n dr e v e r s e s o l u t i o n ss t m c t u r eb a s e do nt h em o d u l eo ft h ec o r d i ca l g o r i t h m 2 t ba d v a n c et h es t m c t u r eo fm eh i g h s p e e dc o p r o c e s s o rf o rt h e k i n e m a t i cc o n t r o lo fs p a c er o b o t s ， t h ec a l c u t a t i o no ft h e 1 1 1 3 4 k i n e m a t i c sb yt h ec o r d i ca l g o r i t h m ， t h ec o n f i g u r a t i o no f c o d r o c e s s o ra n dt h ef l o wo ft h ee n d rm a n a g e m e n t t bd i s c u s st h ec o o p e r a t i o ns t r a t e g yo fc o p r o c e s s o ra n dt h ec p u ， t h ed e s i g no fd u a l 。r e d u n d a n c yc a nb u sa n dt h ei m p l e n t i o no f s t o r g ed e v i c e s e d a c 血n c t i o n t i ot e s tt h e 如n t i o n so ft h ec o p r o c e s s o r c o m p a r et h e s e 士u n c t l o n s ， c o n c l u d et h ed e s i g no fs y e t e ma n dm a k es u g g e s t l o n s o tt h e s y s t e m so p t i m i z a t i o n k e yw o r d s c o p r o c e s s o r k i n e m a t i c i s i v s p a c e r o b o tc o r d i cf p g a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 适二拙 本人签名：i ! 墨二剑日期：丝! ! ：事： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：傅列日期：丝琴：；：j 导师签名：二篁笪! ! 查兰 日期：兰! ! 芦! ! 北京邮电大学顾十学位论文2 0 0 8 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 2 1 世纪世界航天事业的迅速发展，带动了空间机器人事业的发展。随着对太空 探索的不断深入，宇宙中的航天器将会越来越多，如目前正在建造中的国际空间站 ( i s s ) ，无论在建造过程中，还是日后的维修过程中，都需要具有搬运与维修能力的 空间机器人参与工作，完成一定的任务。 太空没有疆界，有能力就有更大的领地。但是太空开发不能像在地面那样，将成 千上万的工程技术人员送到太空从事各种材料加工、生产、装配和修理等作业。而是 应该“雇佣”空间机器人到太空代替人类去完成任务，使之成为太空作业的主力军。 正因为如此，近年来，对空间机器人的研究吸引了世界范围的广泛关注。中央控 制计算机作为空间机器人系统的决策中心大脑，在其发展过程中扮演了重要的角 色。由于空间机器人工作在太空环境中，因此空间机器人中央控制计算机也属于星载 计算机的范畴。空问机器人作为一种通用机械、电气、计算机控制系统和人工智能的 综合体，可以感知外界环境，并进行推理、判断和决策，能够在未知的环境中完成各 种各样的任务，完全胜任空问作业的要求。未来空间机器人需要完成的任务越来越复 杂，这就要求其中央控制计算机具有足够的处理能力。 为了完成这些任务，进行运动学正反解，并使其高速化已成为空间机器人中央控 制计算机面对的重要问题。尤其在空间机器人或某些装配机器人动作的实时操作控制 中，为了完成适应于作业环境变换的复杂动作，这种计算必须在很短的时间内完成， 否则，由于计算时间长，会给系统带来低效率或误动作n 3 。一般说来，大多数的工业 机器人的运动学反解都可以得到解析解。在这些表达式中包含了很多超越函数，如： 正弦、余弦和反正切函数等，并且解析解中很少有共同的算式，因此难于计算，处理 速度很慢。更由于太空的特殊环境，考虑星载计算机可靠性、稳定性，使得星载计算 机不可能像地面上使用的通用计算机一样具有极其强大的计算能力。故，使用一种有 效的求解析解的算法并开发与此算法紧密相关的专用协处理器来加速中央控制计算 机的运动控制计算能力，成为解决空间机器人运动控制计算需求和星载计算机性能瓶 颈矛盾的较好途径。 另外，由于空问环境的恶劣以及机器人系统的复杂性，空间机器人在执行任务时 不可避免的会出现关节失效的情况。但空间任务的特点又希望能在某关节或多关节失 效的情况下仍然能完成部分甚至全部任务。找到一种合适的重构策略，进行欠自由度 机械手的位置逆解运算，使该机械手在多个位姿可解，从而提高欠自由度机械手的可 北京邮电大学硕卜学位论文2 0 0 8 解性，实现其一定的轨迹规划，使六自由度机械手在单关节故障的情况下仍可以完成 大部分任务，这对于提高空间机器人的容错能力有较大意义。 1 2 空间机器人控制计算机的国内外研究现状 空间机器人是一种遥控或自主控制机器人，可在行星的大气环境中导航及飞行。 为此，它必须克服许多困难，例如它要能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导 航；几乎不能够停留；必须能实时确定它在空间的位置及状态；要能对它的垂直运动 进行控制；要为它的星际飞行预测及规划路径。这些任务就要求空间机器人的控制核 心中央控制计算机具有与任务相适应的功能和处理能力。空间机器人的任务特点 决定了其控制计算机的结构和特点。 最近几十年，以苏联、美国、日本以及欧盟等为代表的各空间大国在空间技术领 域进行了广泛、深入、有效的研究。空间技术发展到今天，从地面实验室研究发展到 空间站、星载技术、行星表面探测机器人等应用试验研究阶段，为人类在包括空间技 术本身在内的诸如医学、农业、微电子等方面的技术发展发挥了重要的作用。 美国n a s a 从1 9 8 6 开始研制的遥控飞行机器人服务器( f t s ) 。欧洲航天局资助研 制的机器人手臂e r a ，其长约1 0 米，具有7 个自由度，其结构对称。e r a 主要用于 空间站装配和舱外活动，同时也可以支持宇航员进行舱外活动。日本e t s v i i 科学实 验卫星上的机械臂。e t s v i i 科学实验卫星上的机械手长2 4 米，有6 个自由度，配 有摄像机及辅助工具，末端安装有长约o 5 米的三指灵巧机器手系统，整个机器人系 统重约4 5 k g 。 我国在“七五”、“八五期间研制了“空间智能机器人地面实验综合平台 ，该 系统实现了机器人系统的实时仿真，并实现了大时延遥操作控制。国家高技术航空航 天领域十大工程演示项目之一“舱外自由移动机器人系统”，研制了一套具有行走和 操作能力的舱外空间机器人系统，在地面利用吊丝配重式重力补偿系统实现了自由运 动并完成各种操作任务，演示了舱外空间机器人的部分关键技术。另一十大工程演示 项目之一“遥科学地面综合演示系统”，深入研究了遥科学通讯协议、数据压缩、图 像传输、遥操作等关键技术。国家高技术航空航天领域“十五”期间支持的“空间实 验室舱内机器人综合服务系统”，演示了模块化、多分支空间机器人系统在轨服务的 关键技术。在遥科学与空间机器人专家组委员会的大力支持下，还进行了空间机器人 系统建模、运动规划、动力学控制和双臂协调等方面的研究。 空间机器人控制计算机作为核心子模块，其技术水平随着空间机器人的发展也进 入新的阶段。 1 2 1 机器人控制计算机国内外发展现状 一般来说，处理机械臂运动学反解有几种方法【2 1 ，如：先求出机械臂的各关节转 2 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 8 角的解析解，再以它为基础求出各关节转角的数值计算法，这种方法虽然直观，但是 由于解析解中很少有共同的运算式，并且包含很多特殊的非标准函数计算，因此处理 速度很慢；第2 种方法是利用雅可比矩阵的逆矩对其进行反变换；第3 种方法是采用 并行处理的方法使求解并行化，用以提高处理速度。在上世纪8 0 年代后期，日本的 龟谷等人曾利用7 个c p u 和1 4 个处理单元实现了运动学反解的并行处理系统，并使 运动学反解处理时间减少到3 3 m s 。随着星载计算机技术的发展，现今的单个c p u 已可在较短的时间内完成逆变换处理。目前空间机器人还主要是使用已经较为成熟的 星载计算机作为中央控制计算机来进行任务规划和计算。其实现方式有几种，如：基 于单c p u 的星载计算机，在执行任务时，调用逆解专用算法程序完成计算；也有使 用主c p u 与d p s 结合的方式；还有人提出使用软核c p u 来辅助主c p u 工作。 随着机器人控制技术的发展，开发“高实时的、模块化的开放式机器人中央控制 计算机”是当前机器人中央控制计算机的一个重要的研究和发展方向【3 】。考虑到机器 人中央控制计算机实时性、开放性的重要作用和意义，在研发过程中，首先需要考虑 的是中央控制计算机的实时性能，从而保证各项指标的实现是有意义的；同时，中央 控制计算机的设计应考虑使尽量多的控制层次对用户开放，让用户可以在不改变中央 控制计算机基本组成的前提下对现有功能进行扩展和改进。 机器人中央控制计算机的研究已经由硬件过渡到软件、由具体中央控制计算机过 渡到通用开放式体系结构、由单独控制过渡到多机协调控制。国外有专门的研究机构 和公司对机器人中央控制计算机进行研究和制造。同时，也得到国家相关部门和企业 的资。因此，国外的机器人中央控制计算机发展很快，智能水平很高，并且正在进行 许多开创性的研究。 归纳起来主要在以下三个方面： 1 ) 机器人中央控制计算机的体系结构，主要是软、硬件平台的实现和性能分析； 2 ) 机器人中央控制计算机的功能结构，主要是智能控制、多算法融合和性能分 析； 3 ) 中央控制计算机的实现结构，主要是实时多任务操作系统、开放结构标准、 多控制器结构和网络化、运动控制器。 机器人中央控制计算机体系结构主要是指控制机器人的软件和硬件结构，通常也 简称为机器人体系结构。具体来讲，机器人中央控制计算机体系结构研究机器人中央 控制计算机系统结构中各个部分之间的相互关系和功能分配；研究系统控制逻辑的合 理分层、功能划分、逻辑结构的建立以获得机器人中央控制计算机的功能结构和逻辑 上的计算结构；研究机器人信息处理和控制的总体结构，它给出了系统组成以及指导 系统实现的方法和步骤，决定了机器人系统的整体行为和整体性能。明确机器人中央 控制计算机的定义，可以清楚地晃定机器人中央控制计算机所涉及的范围、研究的对 象以及最终的目标。 北京邮电大学硕上学位论义2 0 0 8 机器人中央控制计算机的设计通常分为两个阶段：功能设计和结构设计。功能设 计阶段主要完成控制功能和算法的定义，而结构设计阶段是实现功能在硬件和软件上 的分布。这一思想随着机器人中央控制计算机的发展，而越来越受到重视。同时，也 为机器人中央控制计算机体系结构的研究确立了一个总体框架。 机器人中央控制计算机功能结构和实现结构的研究主要体现在中央控制计算机 算法的选择、融合、具体实现及其性能分析上，为了使控制性能更可靠、更实时、更 高效，不仅要考虑体系结构，还要考虑操作系统、控制算法、智能控制等许多方面。 由于太空到处充斥着各种高能射线和高速粒子，这些射线和粒子都会对计算机的 正常工作产生负面影响，削减其工作稳定性，甚至导致其工作时出现致命错误，太空 中的电子系统必须要在地球的电离带、太阳风、高能宇宙射线中能正常工作并生存下 来。因此，空间机器人的中央控制计算机必须具有抗辐照和容错能力，其体系结构中 的c p u 芯片般都选择特殊的具有容错能力的星载计算机芯片。 在国际航天领域，星载计算机目前主要有两种设计方法，第一种是纯粹采用抗辐 照技术和策略制造的系统，这样的系统采用抗辐照的微处理器( 如l o c l ( 1 l e e d 的 p o w e r p c 结构的r a d 7 5 0 ，欧空局s p 触配v 7 结构的t s c 6 9 5 系列处理器，s p a r cv 8 结构的l e o n 系列处理器，这些处理器都采用了抗辐照设计，但速度相对商用微处 理器较慢) 、存储器、电路板等等，为了避免辐照带来的负面效应，电路设计中会采 用各种复杂的硬件检错纠错机制和硬件冗余容错策略；芯片布线不能太密，走线不能 太细，否则也会由于辐照产生单粒子效应或者加快总辐照剂量效应带来破坏，因此也 限制了芯片速度和系统性能的提高。 第二种是采用商用组件技术搭建的系统【4 j ，一般使用商用微处理器( 例如a t i i l d 的a i u m 系列，m o t o r 0 1 a 的p o w e f p c6 0 3 e ，i b m 的p o w e f p c7 5 0 f x t m ) 。此类系统虽 微处理器速度快、性能较高，但由于商业器件不同于专用的星载芯片，没有专门的防 护和容错机制，所以必须采用一套比较全面的策略来缓解和减轻辐射对系统带来的扰 动。这类系统中最具代表性的是m a ) ( w e l l 公司的s c s 7 5 0 ，s p a c e m i c r o 公司的单板 p r o t o n1o o k ，g d a i s 公司的i s c ( i n t e 擎a t e ds p a c e c r a rc o m p u t 哪，它们均是c o t s 系统。 目前，我国己具备自主开发研制适合航天级应用的抗辐照微处理器芯片的能力 【5 】，如哈工大和欧比特公司研制的“s 6 9 8 处理器芯片，2 0 0 3 年5 月在欧比特顺利诞 生，这款芯片是世界上第一块基于s p a r cv 8 的商业化嵌入式系列处理器，内嵌3 2 位6 4 位浮点运算器的嵌入式处理器，它的诞生拉开了我国高性能、高可靠性嵌入式 c p u 产品的新篇章，解决了高可靠、高性能嵌入式芯片的关键技术环节，也将为我 国进一步设计具备容错和检错、纠错等功能的抗辐照、高可靠处理器芯片奠定坚实基 础。然而，由于原来国内大部分的星上计算机仍在使用国外生产的处理器芯片，如 8 0 8 6 ， 8 0 5 1 等等，且这些芯片大多都比较陈旧，因此我国星上计算机性能相对国外 4 北京邮电大学硕十学位论文2 0 0 8 有较大差距。另外，由于没有新技术的推动，在星载计算机体系结构技术的研究上也 和国外有相当差距，操作系统和应用软件都基于原有设备的体系结构，一旦出现新的 星载计算机体系结构，操作系统和很多应用软件的移植也将成为大问题。因此我国星 载计算机体系结构研究的发展空间仍然非常巨大。 如上所述，星载计算机所采用处理器的运算速度是在逐步提高的。但是由于太空 空间这样一个特殊环境，星载计算机既要增加很多容错策略来提高运行可靠性，又要 完成复杂的空间任务，因此星载计算机的处理速度还远不能做到现今通用计算机那样 高的程度，尤其是我们国家星上计算机性能相对国外更是有较大差距。这种情况下此 类星载计算机芯片应用于空间机器人运动控制运算时，其运算速度就更显得捉襟见 肘。这对于实时性要求极高的空间任务的完成有着不可回避的矛盾。基于这种情况， 给控制计算机主c p u 加上一个协助运算或者专门负责运动控制计算的协处理器的体 系结构思想就自然而然产生了。而近些年发展极快的s o c 技术又为协处理器的实现 提供了极好的载体。 1 2 2 机器入控制计算机与片上系统s o c 目前，随着多媒体、网络化、移动化的发展，过去利用印刷板技术和i c 芯片来 实现的系统，由于芯片之间延迟过长、电压较高、体积较大等因素，使其无法满足市 场对整机系统越来越高的性能要求【3 】。正是在市场需求和集成电路技术发展的双重作 用下，出现了将整个电子系统集成到单个芯片上的技术，即“片上系统”( s y s t 锄o n c h i p 简称s o c ) 。所谓s o c 技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使 用s o c 技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片 中，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在 一起。s o c 是以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容 的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题。在传统的应用电子系统设计中，需 要根据设计要求的功能模块对整个系统进行综合，即根据设计要求的功能，寻找相应 的集成电路，再根据设计要求的技术指标设计所选电路的连接形式和参数。这种设计 的结果是一个以功能集成电路为基础，器件分布式的应用电子系统结构。设计结果能 否满足设计要求不仅取决于电路芯片的技术参数，而且与整个系统p c b 板图的电磁 兼容特性有关。同时，还必须考虑分布式系统对电路固件特性的影响。很明显，传统 应用电子系统的实现，采用的是分布功能综合技术。对于s o c 来说，应用电子系统 的设计也是根据功能和参数要求设计系统，但与传统方法有着本质的差别。s o c 不 是以功能电路为基础的分布式系统综合技术。而是以功能i p 为基础的系统固件和电 路综合技术。首先，功能的实现不再针对功能电路进行综合，而是针对系统整体固件 的实现进行电路综合，也就是利用i p 技术对系统整体进行电路综合。其次，电路设 计的最终结果与i p 功能模块和固件特性有关，而与p c b 板上电路分块的方式和连线 北京邮电大学硕上学位论文2 0 0 8 技术基本无关。因此，使设计结果的电磁兼容特性得到极大提高。换句话说，就是所 设计的结果十分接近理想设计目标。在使用s o c 技术设计的应用电子系统中，可以 十分方便地实现嵌入式结构。各种嵌入式结构的实现十分简单，只要根据系统需要选 择相应的内核，再根据设计要求选择与之相配合的i p 模块，就可以完成整个系统硬 件结构。尤其是采用智能化电路综合技术时，可以更充分地实现整个系统的固件特性， 使系统更加接近理想设计要求。必须指出，s o c 的这种嵌入式结构可以大大地缩短 应用系统设计开发周期。 嵌入式系统s o c 是基于现场可编程门阵列复杂可编程逻辑器件( f p g c p l d ) 或专用集成电路( a s i c ) 而发展起来的。随着超大规模逻辑器件及逻辑设计语言的 发展，f p g a 、c p l d 便成为s o c 半定制设计或全定制a s i c 前期设计的一种手段。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件，它们 是在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比较， f p g 刖c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片，这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件，这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的 广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器 件，比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列， 它们开发较早，占据了较大的p l d 市场。c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但 用法基本一样，所以多数情况下，不加以严格区分。f p g a c p l d 芯片都是特殊的 a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： 1 ) 规模越来越大，功能越来越强，可实现更高的系统集成； 2 ) 开发环境及条件要求较低，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关 的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计，资金投入小，节省了许多潜在的花费； 3 ) 可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件来实 现各种强大的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片，能以最少的付出和最快的速 度占领市场。 f p g a 和c p l d 都是可以编程的专用集成电路，用户可以根据特定的设计要求， 先定义逻辑功能，然后用f p g a 或c p l d 去实现。 传统上，为了设计嵌入式系统，设计人员需要选择三类不同的硬件器件处理 器、逻辑器件和存储器。今天，结合所有这些器件可以创造出单个s o c 解决方案， 从而提高了速度、缩小了尺寸，更重要的是降低了总体系统成本。开发新的s o c 器 件需要许多关键因素，包括新的开发工具、领先的制造技术和半导体i p 核。考虑到 技术发展，基于a s i c 的s o c 行业仍面临许多挑战，因此阻碍了其发展。采用c p l d 可使s o c 设计具有显著的灵活性，但由于处理器内核通常是硬核，所以其伸缩性极 小。目前，删、a r cc o r e s 等一些公司推出的各种可配置处理器内核( 软核) 正 在改变着s o c 的设计。a 1 t e m 和x i l i i l 】【公司将自己生产的可配置c p l d 与可配置 6 北京邮电大学硕上学位论文2 0 0 8 处理器内核结合在一起，推出了片上可编程系统s o p c ( s y s t 锄o np r o 斟a m m a b l e c h i p ) 解决方案。s o p c 技术是当前业界普遍关注的热点和焦点问题，各主要芯片厂 家都投入了大量的人力、物力和财力进行研发，不同的厂家提供了不同的解决方案。 由于s o p c 的设计非常复杂，需要投入大量的人力和物力，单独的一个公司几 乎不可能拥有足够的工程资源和经费来进行整个s o p c 的开发，设计能力和工艺水 平之间的矛盾成为了s o p c 发展过程中一个非常突出的障碍。基于i p 重用的设计方 法学是当前解决这一矛盾非常有效的办法。美国d a t a q u e s t 全球半导体首席分析师 j i l l lt u l l y 指出，i p 模块是设计重用的关键部分，是结束“设计间距”唯一有效的方 法，如果没有它，半导体生产商和o e m ( o r i 百n a le q u i p m e n tm a l l u f a c t l l r e r ) 供应商根本 无法达到今天已经达到的水平。i p ( h n e l l e 咖a lp r o p 积y ) 就是常说的知识产权，在这里 是指重用于系统芯片设计中，预先设计、预先验证过、符合产业界普遍认同的设计规 范和设计标准的电路模块。 1 2 3 机器人控制计算机协处理器的发展 协处理器( c o p r o c e s s o r ) ，就是一颗能与c p u 协同工作，帮助c p u 完成特定任务 的专用处理芯片。由于协处理器往往是针对某些特定应用( 如浮点运算) 而设计，所 以设计时不必考虑太多的通用性，协处理器往往在某方面拥有很高的性能，完成特定 任务时的效率要比c p u 高。最常见的一种协处理器是浮点协处理器( n o a t i n g - p o i n t p r o c e s s o r ) ，它在执行数值计算时可以大幅度地加快数学运算和图像处理速度。比个 人计算中的通用微处理器速度更快、性能更好。例如，c l e a r s p e e d 公司就发布了一款 基于协处理器的p c ie x p r e s s 板卡，该卡的浮点性能高达5 0 gn o p s ( g i g af l o a t i n g p o i n t o p e r a t i o n sp e rs e c o n d ，每秒十亿次浮点运算) ，比当前桌面p c 强1 0 倍。 8 0 8 7 是i n t e l 设计的第一个数学辅助协处理器，它与i n t e l 的8 0 8 8 和8 0 8 6 微处理 器成对工作，可以加速应用程序的浮点运算速度，针对不同的特定应用，速度提升从 2 0 到5 0 0 不等。真正让电脑用户对协处理器印象深刻的当数8 0 3 8 7 芯片了，当时 它被很多3 8 6 主机搭载，主频与c p u 速度匹配。当c p u 发展到4 8 6 时代，协处理器 就从人们的视线中消失了。事实上，这种情况的出现主要得益于半导体制造工艺的进 步。以往由于技术的限制，一个芯片内不能同时封装a l u ( 觚t h i n e t i cl o 酉cu i l i t ，算 术逻辑单元) 和f p u ( f l o a tp o i n tu n i t ，浮点运算单元) 两个单元，而8 0 4 8 6 使用了1 微 米制造工艺，首次突破了芯片内1 0 0 万个晶体管的限制，f p u 从此就在c p u 内部“安 家了。 尽管协处理器在8 0 4 8 6 之后不再成为主流，但这并不意味着它已经消亡，在高端 服务器、专业设计等领域还能看见它的“身影”，甚至我们今天熟悉的多媒体手机， 也是协处理器活跃的舞台。m t e l 、n v i d 认、a t i 针对手持设备推出的图形芯片，就 是不折不扣的协处理器，它们可以大幅度提升手机的图形处理能力【6 】。 7 北京邮电人学硕士学位论文2 0 0 8 本文中研究的协处理器其实是与上述协处理器开发形式，功能实现，协同工作方 式，应用领域等有较大不同的。但是，作为协处理器，他们的本质都是辅助c p u 进 行某方面的特殊计算工作，从而加速系统实现对任务的良好完成。 空间机械手一般包括多个活动关节、臂杆、手抓、视觉相机、中央控制器等，其 中，中央控制器承担着空间机械手的运动学控制与规划、信息融合、各类智能控制器 的协调工作和管理等任务，是系统的核心部件，也是空间机械手研究的核心内容之一。 由于受到空间环境和空间机械手设计要求的影响，中央控制器受到如下方面的限制： 1 ) 空间环境，如高能粒子辐射效应、大温差、高真空等，以及发射过程中的振动冲 击等限制；2 ) 空间机械手复杂的控制算法和任务；3 ) 发射载荷、机器人自身体积以 及能源；4 ) 维修维护困难。因此，中央控制器需要具备如下特点：高可靠性和空间 适应性，较小的体积和较低的功耗，高处理能力等特点。 目前地面机器人的主控计算机通常采用地面高速嵌入式系统、工控机甚至高性能 的通用计算机实现，虽然地面机器人主控计算机的运算能力较高，但是很难适应空间 强辐射、大温差、高真空以及发射时的振动要求，因此不可能作为空间机器人中央控 制器。目前也有利用较成熟的空间用计算机作为空间机器人的中央控制器，但目前空 间用计算机( 如x 3 8 6 ，8 0 c 5 1 系列) 由于系统的抗单粒子设计、降额设计，使其运 算能力一般都在1 0 m i p s 以下，很难满足空间机械手实时控制的高处理能力要求。 为增加中央控制器的整体数据处理能力，哈尔滨工业大学研制了空间机械手用 f p g a 协处理器，该协处理器可协助主处理器完成空间机械手控制算法中三角函数和 反三角函数的计算。 近年来n a s a 和欧洲航天局等都在大力研制适用于空间应用的高速处理器及计 算机系统，但是目前尚处于实验验证阶段，其主要芯片的价格往往十分昂贵并且对我 国禁运，不适合我国空间机器人规模化研制的需要。 经文献检索和资料查阅发现，美国、日本、欧洲等都分别进行了该领域的研究， 目前都处于实验验证阶段，技术状态处于严格保密阶段。国内也无相关研究的公开报 、j 追o 1 3内容安排 本文所设计的面向空间机器人控制的高速协处理器，主要完成运动学j 下解、运动 学反解、目标位置及转换矩阵求解这3 类计算，以及协处理器配置和出错处理的工作。 其中，对运动学中的大量超越函数的计算，使用c o r d i c 算法。对本文设定的空间6 自由度机械臂模型的正反解运算提出了一套基于c o i m i c 流水结构的算法，并在 f p g a 中实现。同时该协处理器作为在空间机器人中央控制计算机上重要的子模块， 承担着相当一部份通信、存储器e d a c 等的容错功能。所做的工作如下： 北京邮电大学硕士学位论文2 0 0 8 第一章：绪论首先介绍该课题的研究背景。通过查阅国内外文献了解了空间机 器人控制计算机的国内外研究现状。其中包括机器人控制计算机的发展状况，控制计 算机使用片上系统s o c 的情况。最后介绍了机器人控制计算机协处理器的发展。 第二章：机器人运动学与c o r d i c 算法研究本章首先对一个6 自由度空间机 器人模型进行了正反解求解。分析发现其运动学求解中存在大量超越函数的计算。随 之讨论了几种超越函数的求解方法。c o r d i c 算法的输出结构与机器人运动学正反解 输出有较多相似之处，且该算法适合在大规模逻辑器件中实现，尤其是使用f p g a 作 为硬件逻辑平台实现。选择c o r d i c 算法作为高速协处理器的基本实现算法。 第三章：基于c o i m i c 的6 自由度空间机械臂运动学加速算法对6 自由度空 问机器人模型的正反解进行c o r d i c 化，得到运动学正解的c o r d i c 计算方法。在 对反解解析解进行c o r d i c 化时，对其细分为旋转计算处理、平方根计算处理和反 正切计算处理。最终得出运动学反解的c 0 r d i c 计算方法。 第四章：协处理器的内部设计分析了使用f p g a 作为协处理器平台的优势及原 因。对协处理器的实现主要讨论了基础的c o r d i c 算法核实现，运动学算法运算模 块实现及协处理器系统总体实现。 第五章：协处理器与中央控制计算机的协同设计协处理器作为中央控制计算机 的外设，其接口设计和调用至关重要。本章重点分析了协处理器与中央控制机算计的 接口设计和调用逻辑的设计。另外对协处理器的容错功能做了详细分析。本章最后讨 论了中央控制计算机单板的整体硬件框架设计。 第六章：协处理器的功能验证与测试对协处理器的算法功能和冗余容错功能进 行了验证和测试。 第七章：工作总结与展望。 9 北京邮电大学顾十学位论文2 0 0 8 第二章机器人运动学与c o i i c 算法研究 机器人运动学在正反解计算过程中会产生大量的超越函数。计算超越函数的算法 有很多种，选择一种合适的算法在计算机系统中实现运动学求解对于系统的高速化有 着至关重要的作用。本章介绍了几种主要的超越函数计算方法，最终采用c o r d i c 算法作为运动学正反解得求解基本算法。 2 16 自由度机械臂运动学正反解 对于空间机器人所面对的空问任务而言，一般使用6 自由度机器人即可满足任务 需求。当前，也有研究人员使用9 自由度等冗余自由度构型。冗余自由度可以使机器 人更加灵活的达到工作空间完成任务。但冗余的关节使得运动学反解较为复杂，一般 为数值解而非解析解。同时冗余度机器人控制算法相对更加复杂，加重了机器人中央 控制计算机的计算负担。故本文以一个空间6 自由度机械臂模型为正反解对象来研究 面向空间机器人运动控制的高速协处理器。如图2 1 所示，这个六自由度机械臂由3 个2 自由度双关节( p l ，p 2 ，p 3 ) ，2 根碳纤维臂杆，1 个手爪( p g ) 和1 个安装在手抓 上的手眼视觉构成。其末端3 个关节的轴线相交于一点p 3 。该空间机械臂可以安装 在空间平台上来完成某些空间任务，如抓取、维修、操作等。 x w 图2 16 自由度空间初城臂模型简图 这个6 转动关节机械臂的运动学正解方程可以用6 个关节角角度来表示。6 个 关节角角度a 从关节位置传感器反馈。 根据d e l l a v i t - h a n e n b e 娼方法，该机械臂末端手爪相对于基坐标系的位姿矩阵! 丁 可以由6 个4 4 的齐次变换矩阵卜7 顺序相乘得到，见式( 2 1 ) 。这里，卜7 是坐标 系 f ) 相对于坐标系 f 一1 ) 的变换矩阵。 一 j ! 塞坐皇叁兰堡主兰堡笙塞! 竺! 罗= 扩= 7 罗扩 式( 2 1 ) 通过手眼视觉可以得到目标体相对于手爪坐标系的位置，并且构成其4 4 的齐 次变换矩阵。 矽= t n xt o x t n x t p t n y t o yt 口y t p x t n zt o zt 口z t p x 0 00l = ( r _ r r r _ ) 式2 - 2 为了得到手爪捕获目标的笛卡儿轨迹上的期望节点，需要将变换到基坐标下 的挈： 罗= 罗= ( 宁! 丁抑= o1 fc 岛 一s 岛o0 1 f c 岛一s 岛 o o j i ooloi | s 岛 c 岛 。 一1i i s 睦一c 睦ool | ool l j l oo o l j lo oo o o1 f c 岛一s 绣o 0 1 fc 嚷 一s 纯o 1，3i ioo一1ol l ool o o1 1 s 岛c 岛 o oi i s 纯一c 嚷o o l 八o o o 1 八o o o ( r k 亿) 式( 2 2 ) 图( 2 1 ) 中，只是机械臂的腕关节，并且末端3 个关节的轴线交于腕关节的中 心，故机械臂末端的位姿可以分开求解。前3 个关节用来决定其位置，后三个关节用 来决定其姿势。 若机械臂末端定义在基座标下的位姿矩阵为孑： f ，吹以 弦：j 哆吩乃i 式( 2 2 ) 。 1 d z 见l l 0 o01 j 则腕关节位置坐标乞= ( 厶，圪) 可以由下式表示： p 。= p 。一l i n 。 p 吁。p y i 4 口p p 。= p z l i a z 各关节的转角用p