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基于FPGA的双边远程操作性能的改善摘要许多领域都需要双边远程操作，例如太空活动，原子能发电站的工作，微创手术，等。在双边远程操作中，要求触觉敏锐的传输，就仿佛操作直接接触环境。传感宽频带力的信息需要实现触觉敏锐的传输。基于加速控制与干扰监控的一个双边控制器可实现触觉敏锐的传输。在这种双边控制器中，传感力的频带由一个用于干扰监控的低通滤波器的截止频率确定。截止频率是采样周期的反比。因此，缩短采样周期改善双边远程系统的性能。在这篇论文中，介绍了一种应用FPGA的双边远程系统。FPGA是一个大规模集成的用户可以在其中设计其内部逻辑。当运动控制器在FPGA上运行，它的操作快于在一个拥有实时操作系统的个人计算机上的运行。应用FPGA使采样周期从100s缩短到10s。控制器的有效性由实验评估。关键字加速的控制，双边远程操作，FPGA，浮点计算，触觉，运动控制I. 引言许多领域都需要远程操作技术1。在医学领域，机器人手术已经开始被运用到临床2。在机器人手术，医生操作一个主机器人和一个从机器人在受影响的区域。机器人手术有助于减小入侵病人的身体，和提高生活质量水平。但是，现有的手术机器人无法发送触感敏锐的信息给医生。为了提高机器人手术的安全性，它需要机器人传输触觉给医生。为了实现这一需要，一种叫做双边远程操作的方法已经研制成功。双边意味着传输信息给对方。在双边远程操作中，信息传输不仅是主机到从机，从机也可以到主机。因此，操作者在主机边可以感知从机方的触觉。许多控制器已经实现双边远程控制。位置对称的伺服，反射力和反射力伺服结构都是很出名的控制器。对称位置伺服架构有一个问题，就是需要在主机上处理很多业务。反射力和反射力伺服结构存在稳定性的问题。四通道架构的提出满足了稳定性和对透明度的要求。在这篇论文中，一个基于加速控制的虚拟轴控制器被用来实现双边远程控制。虚拟轴控制器实现双边控制通过改造加速坐标尺寸，虽然，它与四通道控制器相同，但更侧重于四个双向的位置变量和力量。在虚拟轴控制，主从坐标转化为共同的差分坐标，然后力量共同协调控制和位置分别控制不同的坐标。在基于加速控制的双边远程控制中，采样的周期对于触感的敏锐的提升是很重要的。人类的触觉受体的频率带宽是DC至400 Hz。反应力估算方法用干扰监控达到估计的宽频带宽力。估计力量的频率带宽由一个用于干扰监控的低通滤波器的截止频率决定。截止频率与采样周期成反比。在传统的实验系统中，运动控制器执行在个人计算机（PC），它的采样周期不够估计人可以感觉的频带宽的各种力。为了估计人可以感觉的各方面的力，缩短采样周期是必需的。在这篇论文中，双边控制器在FPGA上实现。FPGA是一个大规模集成的用户可以在其中设计其内部逻辑。它的硬件功能，它在加快运动控制上非常有效。此外，FPGA适合一个试验系统，因为它很容易重新编程其内在逻辑。因为这些原因，FPGA开始专攻运动控制领域。宫下等人提出了一个基于FPGA的硬件控制器，作为脉宽调制的变换器。Ohyama等人提出了一种位置估算法，在高速开关磁阻电机上，使用基于FPGA的控制器。卡瓦纳等人提出一种方法，使用FPGA估计编码信息的速度。Salcic 等人实现了一个自校正调节器在FPGA上。这些研究人员应用FPGA的运动控制的基础技术，Liu等人应用基于FPGA的控制器于多臂手和Oh等人应用基于FPGA的控制器于一个两足机器人。然而，他们结合DSP和FPGA，和高级的控制器，如轨迹发生器在DSP实现。Sridharan等人提出了FPGA实现构建完整的能见度图表为一个移动机器人的路径规划，但他们并没有考虑机器人的运动控制器。本文的所有部件运动控制器在FPGA上实现。在本文中，双边控制器使用一个干扰监控是在FPGA上实现，以缩短采样周期，它的目的是增加力的估计的带宽。本文实现的控制器介绍在第二和第三节。实施方法在第四节所示。第五节验证设计电路进行逻辑综合，修改和实验。最后，本文是在第六节结束。II. 加速度控制系统与干扰监控在双边远程操作中，位置和力应该被控制。理想的位置控制的控制刚度是，理想的力量控制为零。在传统的基于位置的控制，稳健性和控制刚度之间有关系，等等，当 控制刚度降低稳健性被破坏。相反，稳健性和控制刚度可独立设计在基于干扰监控的加速度控制系统，所以，位置和力可以集成在加速度尺度。A. 有干扰监控的加速度控制当执行器被驱动时产生干扰。干扰力的主要因素是负荷力，比如摩擦力和参数错误造成的力。一个加速度控制器基于干扰监控达到稳定控制系统的干扰。线性执行器的运动方程所示其中x是一个执行器的位置，M是执行器的一个轴的质量，KT是一个推力常数，Mn和KTn是参数M，KT的标称值，M和KT是参数变化和建模错误引起的标称值的偏差。IREFa是当前的参考，FL是负载力。然后，干扰力Fdis是负载力和力引起的参数变化的总和。此外，负载力FL是外力和摩擦力的总和，如下所示图1. 有干扰监控的加速度控制其中Fext表示外力，Ffirc表示摩擦力。干扰力来自（1）和（2）表达为（4）中表示的干扰力的形式转化为不包括错误操作，然后由低通滤波器滤掉高频噪声。图1显示干扰监控的框图。预计干扰力 Fdis等于低通滤波器的干扰力Fdis，（7）所示。低通滤波器的截止频率是gdis由于本文只用位置传感器，速度计算公式为其中，gv表示低通滤波器的截止频率。补偿电流Icmp通过估计的干扰力计算，并且稳健的加速控制系统的实现通过补偿电流的反馈，如图1。B. 有干扰监控的反作用力评估在双边远程操作中，人们的操作力和对象的反作用力应该被测量。张力测量仪通常被使用测量它们。测力计测量的力的信息范围小，并且它使运动接触的物体运动不稳定。为了实现高范围的力的信息，本文中力的信息通过干扰监控评估。在（2）和（3）式中，干扰监控估计的干扰力包含外力，摩擦力，和参数变化引起的力。外力的估计可以从估计的干扰力中减去摩擦力和参数变化引起的力。III. 双边控制器本文中，虚轴控制被用于主机和从机的电机来实现双边远程操作。双边远程操作的对象在接触阶段被描述如下：其中，Xm和Xs是主机和从机的电机位置。此外，Fm和Fs是各自的从环境到电机的作用力和反作用力。为了控制位置和反作用力，控制器应构建加速度的维，因此，目标是改写加速度的维。差模和共模电机在（11）和（12）中定义，并且双边远程操作的目的是控制差模和共模电机的加速度的零响应。其中，Xd表示差模电机的加速度响应，Xc表示共模电机的加速度响应，Mn等于共模电机的质量。方程（11）和（12）应用二阶Hadamard矩阵改写为（13）。其中，H2是二阶Hadamard矩阵。因为Hadamard矩阵是正交矩阵，共模电机的控制器和差模电机的控制器可以分开设计。因为它来自式（9），差模电机抑制主机和从机电机的位置变化。因此，差模电机控制器被设置成校准器，并且只有当位置变化时才运行。差模电机的加速度参考显示在其中Cp表示位置校准器，并且ref表示参考值。在本文中在式（15）中，被用作位置校准器。其中kp表示位移增量，kv表示速度增量。因为它是源自于(10),共模电机是用来控制把机器人和空气隔开的反应力。机器人必须根据外界环境提供的力来移动。因此，共模电机的控制器有一个伺服控制器。他的指令就是作用于电机的力。共模电机的参考加速度表示在cf表示力伺服控制器。在本文中，均衡控制器被用作力伺服控制器。主从电机的参考加速度是由共模和差模电机通过用如下所示的2阶Hadamard矩阵变换过来的。IV. 应用 FPGA构造实验环境A. FPGAFPGA是一种可编程的逻辑器件（PLD）。PLD是一种用户可以编译内部逻辑的LSI。FPGA由一个叫做查找表的储存器，触发器，还有连接它们的线组成。预期的电路是由向储存器里编程和在储存器之间架线建立的。FPGA的主要特色就是并行处理。通常电脑里的处理器只在一个时间只可以处理一个进程。相反，FPGA可以同时处理多个进程。因为他包含多个独立工作的电路。而且，当控制器在FPGA上而不是PC上运行时，由PCI引起的延时可以去除。因此，在FPGA上运行的控制器比在PC的频率快。综上所述，FPGA是一个可以实现高采样率的运动控制的设备。图2. 应用FPGA和PC的实验系统的比较 Fig2展示了用FPGA的实验系统和用PC的实验系统的比较。这个是一个线性驱动器。他的位置由一个线性编码器决定。在用PC的系统中，编码器脉冲通过PCI计数板计数。相反的,在使用FPGA的系统中,计数器的电路可以在FPGA下实现，因此，可以减少因PCI总线引起的延迟。由运动控制器电路计算的参考值通过D / A转换器被送去电机驱动，因此线性驱动器也被驱动。B实施图3画出了本文中提及的模型。左边板与D / A转换器安装在一起,即FPGA与编码器之间及与外设连接的电路。右边的板是一块FPGA板，用的是Altera的FPGA(Stratix EP1S10F780C7ES)板。此外,D / A转换器用的是Burr-Brown制造的(DAC813JP),它有10-V输出范围和12-b的分辨率。图3. 执行板的全视图图4. 应用FPGA的运动控制系统的结构框图图4显示了本文中提及的用FPGA实现运动控制系统的框图。左手边图示的是运动控制器模块。运动控制器模块包含一个计数器模块、整数和小数的转换器,一个采用浮点数计算的双边控制器模块,和一个D / A转换器的控制器。右边显示的是记录实验数据的模块。本文中采用的FPGA板有与电脑进行串行通信的接口。因为运动控制器模块的运算比串口通信的波特率快、数据在实验过程中会暂时储存在一个SDRAM中。然后存储的数据从SDRAM中读出，并用串行通信发从给PC。图5. 计数器模块结构框图图6. 浮点数的数据格式1）计数器模块：为了获得位置的信息而使用线性编码器，计数器模块因此而被设计出来。计数器模块，是通过一个编码器与4 正交计数方法，从而计数相移脉冲的。如图5所示为计数器模块的框图。该计数器模块包括FFs，比较器，以及计数器部分。其中，比较器是通过信号的当前值和以前的值进行比较，从而检测信号的正沿和负沿。而计数器部分增计数或减记数输出信号来实现表1中的真值表。2）双边控制器模块：在双边控制器模块里，采用由IEEE754标准规定单精度浮点数格式。如图6显示的数据是以单精度浮点数的格式，它由1-b符号，8-b偏置指数，以及23-b尾数（小数部分）组成。IEEE 754标准所表达的值是用一个公式表示的，如下变所示： 这里1 e 254，此外，本文不采用逐步下流动。表1. 计数器模块真值表图7. 双边控制器模块的结构框图如图7显示了双边控制器模块的框图，该模块由算术逻辑单元（ALU），FF阵列和一个状态机来控制它们。ALU由乘法和加减法组成。如图8显示了流动的乘法计算，在乘法浮点数中，输出的符号标志的XOR输入，输出的指数是指数的总和的输入，输出的尾数的是产品输入尾数的。尾数的乘法，省略被认为是一个最显着的的位。当指数部分来自1-254范围的算术结果，执行异常处理，结果被设置为零或。图8.乘数据流 如图9显示了加法减法流。在加减法中，两个输入的绝对值比较。此外，较小的尾数右移。“数位转移是一个指数的差异。然后，输出的尾数是派生加法减法尾数的算法。输出的符号的标志较大的输入。此外，输出的派生指数从较大的输入和尾数进行指数的加入。3) D/A转换器控制器模块：D/A转换器控制器模块转换的运动控制器的浮点数据输出12- b的整数数据。此外，D/A转换器控制器生成D/A转换器控制信号。4）SDRAM控制器和串行通信控制器模块：SDRAM控制器模块生成命令和管理地址读取或写入数据到SDRAM中。串行通信控制器从SDRAM控制器接收32- b的数据，每8-b分为一组并用串行通信发送。此外，先进先出吸收串行通信的时钟的差异，并且SDRAM访问被执行。安装在FPGA板上的SDRAM的大小为64M。因此运动控制器中使用的变量的大小为32b，大约16M的数据可以存储在SDRAM中。如果0.1毫秒存储10个数据，160秒可以存储全部的数据。图9.加减数据流V.估算A. 逻辑综合和装配为了验证设计电路，实施逻辑综合和装配，并且性能的验证使用真实的激励。作为一个逻辑综合和装配的结果，利用Altera的Quartus，整个电路的大小由4938个逻辑单元并且实现所需的8.25MHz的工作频率。控制回路的步骤数是50左右，是控制回路的采样时间可以少于10s。表二显示了每个模块的资源利用。表2. 资源利用率图10.实验方案B. 实验在FPGA中实现的控制器通过实际的主从机器人的实验评估。在本文中，主机器人由被称作操作机器人的第三个机器人操作，代替人提供不变的操作力。图10概述了实验的方案。通过双边控制器控制主从机器人，操作机器人通过当前的控制产生不变的力。本文中使用的机器人通过线性激励驱动。本文中使用的制动器型号为Copley Controls Corporation生产的TT MICRO TB1108，电机驱动用的是THK的LDSM4-A。用的线性编码器是RENISHAW公司的RGH24，它的分辨率是0.1微米。为了评估对采样周期的影响，实验中用了3个采用周期，分别为1ms，100s，10s，低通观测器的截止频率也尽可能的高去试验和检查错误。这是800 rad / s为1-ms采样和3000 rad / s为100 - 10-s的抽样。gv作为速度计算器的截止频率在（8）中已经给出，和gdis每一个周期的设置都一样。其他参数在每一个实验中都是一样的，具体在表3已经给出。表3. 控制参数图11是实验结果。图11（a）和（b）是设置1ms后每个采样周期的响应，图11（c）和（d）则是100s的，图11（e）和（f）则是10s的。横坐标是时间轴，纵坐标是位置轴和力量轴。每个坐标图都有2行。实线是主机的响应而虚线是从机的响应。由于是铝制的，实验环境不是太好，主机和从机最初的距离大概在0.005米之间。操作机器人以一个5N的恒力操作主机，从机通过双向通信连接到环境。在Fig（11）c中，位置跟踪功能比fig（11）a得到改善。这是由于同过缩短抽样周期使获得gdis成为可能。当抽样周期设置为1ms时，通过设置gdis来跨大到800rad/s，恢复会非常不稳定。但是，当抽样周期缩减到100us时，使gdis提高到3000rad/s是可能的。因此，可以说gdis是可以提高的，而且通过把抽样周期从1ms缩减到100us可以提高双向通信的性能。但是，即使抽样周期缩减到10us，gdis也不能提高到大于3000rad/s的值。（通过仿真，这个问题的原因将会在下一章节展现） 尽管gdis不可以提高，在Fig（11）f中，力的响应时间比Fig（11）d快。这是由于通过缩短抽样周期，使主机和从机之间的抽样周期缩短了。图11.实验结果图12.仿真结果 C仿真 为了找出即使缩短抽样周期也不能提高干扰监控的截止频率的原因，仿真是很必要的。在仿真中，环境建模为弹簧-阻尼并且从反应的反应力计算。该操作力是持久的，所以是主输入。采样周期设定为10s，并且其控制参数中除了gdis外，在实验中都设置为相同的值。如图12显示了仿真结果。在第一个仿真模型中，对该决议编码器和D/A转换器的处理上进行了考虑。如图12（a)和（b)表示该仿真的结果。反应比较微小但是振动会聚在稳定状态，并且当截止频率扰动观测器的过滤器提高时，其反应会更稳定。因此，可以这样说，该决议的编码器和D/A转换器并不是频带宽扰动观测无法在这种情况下提出的主要原因。在接下来的仿真模型中，对电机驱动进行了考虑。加速滤波器实现电机驱动程序，其截止频率设置为500赫兹。在这个模拟中，电流输入的主机与分机过滤一阶低通滤波器，仿真有两个模拟参数。当gdis设置为3000rad/s时，图12（c）和（d）显示了该结果；当gdis设置为5000rad/s时，图12（e）和（f）显示该结果；当gdis为3000rad/s，反应持平至稳定的状态。但当gdis变为5000rad/s时，反应变得不稳定。从以上结果，表明了低通滤波器实现的电机驱动是截止频率的干扰观测无法增加的原因，即使是采样周期缩短也无法实现。 VI.结论在本文中，执行双边控制器的使用FPGA已经提出。双边控制器的基础是在加速扰动观测器的控制而执行是在FPGA。采样周期从100缩短到10s通过利用了FPGA。通过采样周期从1微秒变为100微秒，使得双边远程操作的位置跟踪和力的传输的性能得到了改善。因为干扰监控的低通滤波器的截止频率可以提高通过缩短采样周期从1ms 到100s。即使干扰监控的滤波器的截止频率不能提高，但双边远程操作的力的估算和力的传输性能可以通过缩短采样周期从100ms 到10s改善。并且，不能提高截止频率的情况是由于电流控制的电机驱动回路发生延时。因此，在FPGA上的双边控制器有可能改善更多的双边远程操作系统的性能应用其他的电机驱动。此外，在FPGA上的双边控制器有能力改善双边远程操作的性能运用多自由度的机器人。