当前位置:首页 > 智能硬件 > 智能硬件
[导读]人工智能(AI)作为当前研究的一个热点,作为机器人的“脚”,多功能智能移动平台被提出了新的要求,不但需要实现高灵活性的移动能力和良好的越障能力,而且要求台配置有多种传感器,配合机器人的“大脑”可以实现自动避障越障、自主进行路径规划、地图构建等功能。本文对多功能智能移动平台电控系统的性能需求、系统组成、详细设计等进行了探讨,基于高可靠处理器S698-T芯片进行设计,提出了良好的解决方案。

 摘要:人工智能(AI)作为当前研究的一个热点,作为机器人的“脚”,多功能智能移动平台被提出了新的要求,不但需要实现高灵活性的移动能力和良好的越障能力,而且要求台配置有多种传感器,配合机器人的“大脑”可以实现自动避障越障、自主进行路径规划、地图构建等功能。本文对多功能智能移动平台电控系统的性能需求、系统组成、详细设计等进行了探讨,基于高可靠处理器S698-T芯片进行设计,提出了良好的解决方案。

关键词:人工智能(AI);S698-T;智能移动平台;机器人

The research of multi-functional intelligent mobile platform electronic control system

Wenyue Dong,Guowei Lin,Wenhai Liang

(ZhuHai Orbita Control Engineering Inc. Guangdong, Zhuhai, 519080)

Abstract: Artificial intelligence (AI) as a hotspot in the research of the current. As the robot's "feet", multi-functional intelligent mobile platform was put forward the new requirements, Not only to achieve the high flexibility of mobile ability and good capability of obstacle, but also demand of various sensors. To realize automatic obstacle avoidance obstacle, autonomous for route planning, map building by the robot's control system. The multifunctional intelligent mobile platform performance requirements of the electric control system, system composition, and detailed design are discussed in this paper. The design based on the high reliability chip "S698-T" to put forward a good solution.

Key words: Artificial intelligence (AI), S698-T, Intelligent mobile platform, robot

1 引言

近年来人工智能(AI)已成为国际上技术创新研究的一个热点,各种工业机器人、服务机器人等机器人产品的应用日益广泛,而作为机器人的“脚”,机器人移动平台也要具备丰富的功能和高度的智能化,不但需要实现高灵活性的移动能力和良好的越障能力,而且要求台配置有多种传感器,配合机器人的“大脑”可以实现自动避障越障、自主进行路径规划、地图构建等功能。

多功能智能移动平台电控系统作为机器人移动平台的“神经中枢”,是实现机器人移动平台智能化设计的关键设计。本文分析多功能智能移动平台的功能性能需求,基于高可靠嵌入式处理器S698-T芯片,提出一个多功能智能移动平台电控系统的设计方案,为各种机器人移动平台的设计提供一个良好的解决方案。

2 系统需求

根据机器人移动平台功能、性能要求,电控系统拟采用PC+嵌入式系统架构,由上位机系统和下位机系统两个部分组成,上位机采用PC+传感器实现,下位机基于高可靠嵌入式SPARC架构处理器S698-T设计,上位机与下位机之间采用RS422总线进行数据/命令交互,预留CAN2.0总线通讯接口。

2.1 上位机性能需求

上位机作为多功能智能移动平台的“大脑”,主要实现多功能智能移动平台的视觉功能、地图构建以及导航等功能。

上位机要求采用Intel -X86 i5以上CPU的工业级嵌入式主板实现,并基于嵌入式主板的USB、PCIe、以太网、RS422以及SIM卡接口等外围接口,集成二维/三维激光(室内/外)传感器、相机(预留)、CAN总线通讯模块等外围模块

2.2 下位机性能需求

下位机作为多功能智能移动平台的指令执行控制以及部分传感器的输入采集处理平台,主要实现电机驱动控制功能以及红外测距、超声波测距等传感器输入参数采集处理功能,并通过RS422总线(备用CAN总线)与上位机建立通讯,具体需求如下:

1、主处理器:S698-T,主频100MHZ;

2、协处理器:FPGA;

3、板载内存:SRAM:1Mbit,FLASH:1Mbit;

4、提供7路红外测距传感器信号采集接口,接口为12bit的A/D采集输入,输入为最大3.3V模拟信号;

5、提供6路超声波测距传感器的输入接口,要求为信号电平为TTL3.3V的RS232接口,波特率可配置(4800bps ~ 115200bps);

6、提供1路GPS模块的输入接口,要求为信号电平为TTL3.3V的RS232接口,波特率可配置(4800bps ~ 115200bps);

7、提供3路惯导单元IMU的输入接口,接口要求为I2C接口,预留SPI接口;

8、提供6路PWM信号输出、18路IO信号输出(6路方向控制、6路使能控制、6路电机刹车信号)用于控制电机驱动,要求信号光耦隔离5V输出;

9、提供6路IO信号采集,用于霍尔反馈PWM捕获,输入信号为脉冲信号,最大频率为5KHz;

10、提供2路CAN2.0总线接口以及2路RS422总线接口,用于与上位机通讯;

11、提供对上位机进行电源上下电控制功能;

12、提供1路A/D用于电源电压采集,1路A/D用于温度采集;

13、具备温度采集功能,提供1路预留RS232接口;

14、工作温度:-40℃~+60℃;

3 系统组成

图1 系统框图

如图1所示,电控系统主要由上位机和下位机模块两部分组成,其中上位机包含以下组成部分:

1、嵌入式主板:1个;

2、CAN总线模块:1个;

3、二维/三维激光(室内/外)传感器:1个;

4、相机(预留):1个;

下位机包含以下组成部分:

1、基于S698-T+FPGA控制器模块:1个;

2、红外测距传感器:7个;

3、超声波测距传感器:6个;

4、GPS模块:1个;

5、惯导单元IMU:3个;

6、电机及驱动模块:6组;

4 系统设计

本电控系统的上位机主要涉及到硬件选型以及软件开发,本文暂不对其设计展开详述,主要对下位机的设计方案进行详述。

下位机主要由主控制器模块以及电机驱动、超声波传感器、红外传感器、惯导模块等周边相关外设组成,其中主控制器模块基于S698-T设计,具体方案如下:

图2 基于S698-T+FPGA的控制器模块系统框图

如图2所示,下位机主控制器模块采用S698-T+FPGA的架构,S698-T作为主处理器,其外围设计SRAM、FLASH、硬件看门狗复位、时钟等模块,构成一个S698-T的最小系统,再根据外围接口需要,使用S698-T片内的4路RS232总线接口以及2路CAN总线接口,实现2路RS232接口、2路RS422接口以及2路CAN总线接口。

控制器模块采用FPGA作为协处理器,并通过并行总线将FPGA挂接在S698-T的IO空间上,实现与S698-T的协同处理。FPGA根据系统功能需要,片内设计了两个ADC控制器、6路串行总线控制器、6路PWM输出控制器、32路IO控制器、IIC/SPI接口控制器以及并行接口控制器等功能模块,同时外接相关驱动电路实现系统的接口需求。

控制器模块采用12V DC供电,板上设计有DC-DC电源模块,实现12VDC到+1.2VDC、+2.5VDC、+3.3VDC、+5VDC的转换,供板上相关器件使用。

4.1 主处理器设计

控制器模块的主处理器设计主要是S698-T最小系统+外围接口驱动电路的设计,S698-T最小系统主要包括S698-T、SRAM、FLASH、硬件看门狗复位电路、时钟电路以及调试用的DSU接口电路。

高可靠处理器S698-T简介:

1、采用哈弗体系结构(Harvard architecture);

2、具备整型单元(IU:Integer Unit):

Ø 32位RISC,采用SPARC V8(IEEE-1754)指令集;

Ø 5级指令流水(预取、译码、执行、存储、回写);

Ø 具有硬件乘法器和硬件除法器;

Ø 支持MAC和UMAC等DSP指令;

3、浮点处理单元(FPU:Floating Point Unit)

Ø 遵循IEEE-754标准;

Ø 支持单/双精度;

4、具有彼此分离的大容量指令Cache 32K Bytes和数据Cache 16K Bytes;

5、片内总线遵循AMBA2.0标准,采用AHB总线联接片内高速设备,采用APB总线联接片内低速设备;

6、在线硬件调试支持单元(DSU:Debug Support Unit):

Ø 无需外置仿真器的支持即可实现硬件在线直接调试;

Ø 可实现对内部资源(如寄存器、用户可用RAM等)的操作;

Ø 可实现程序断点设置;

7、集成存储器控制器(MCTRL:Memory Controller):

Ø 支持外部SRAM、SDRAM、ROM 以及MAP I/O等类型的存储器;

Ø SRAM、ROM及MAP I/O的数据总线宽度可通过软件配置成32/16/8 位三种模式;

Ø SRAM、ROM及MAP I/O的存取时间参数可配置;

Ø 支持5个SRAM Bank、2个SDRAM Bank、2个ROM Bank、1个IO Bank;

Ø 寻址空间2048M Bytes;

Ø ROM寻址空间:512M Bytes;

Ø MAP I/O寻址空间:512M Bytes;

Ø SRAM/SDRAM寻址空间:1024M Bytes;

8、集成1553B 、ARINC429、CAN、串口等数据总线控制器;

9、集成多功能IO接口(MFIO):

Ø 集成16路独立的多功能IO接口;

Ø 各路的输入或输入方向可以独立配置;

Ø 各路均可以输出周期、占空比、电平极性、脉冲数目等参数可调的PWM信号;

Ø 各路均具有输入脉冲计数功能;

10、集成定时器、看门狗、ADC、DAC等模块;

11、生产工艺:130nm CMOS;

12、工作频率:

Ø 最高主频(IUCLK):200MHz;

Ø 最高外频(SYSCLK):100MHz;

13、处理能力:

Ø 180MIPS@200MHz;

Ø 55MFLOPS(Double Precision)@200MHz;

14、峰值功耗:不高于1.5W@200MHz;

15、电源电压

Ø 3.3V±0.3V(IO);

Ø 1.2V±0.1V(CORE);

16、工作环境温度

Ø 工业级-40℃~+85℃(塑封PBGA352);

Ø 军品级-55℃~+125℃(陶封CBGA352);

控制器模块的主处理器的主要元器件选型如下:

1) 主控制器:S698-T,工作主频为100MHz;

2) SRAM:IS61LV51216-10TI,容量为512k*16bit;

3) FLASH:39VF040-90-4I-NH,容量为512k*8bit;

4) 看门狗:TPS3813K33MDBVREP;

5) 时钟:有源晶振,10MHz;

6) DSU接口/RS232总线接口驱动芯片:MAX3232ESE;

7) CAN总线驱动芯片:TJA1042t;

8) RS422总线驱动芯片:MAX488ESA;

9) 上位机电源控制开关:选用欧姆龙继电器G6k-2F;

4.2 协处理器设计

控制器模块的主处理器设计主要是FPGA最小系统+外围接口驱动电路的设计,FPGA设计包括硬件设计以及FPGA逻辑设计,对于FPGA逻辑设计本文只提出设计需求,具体如下:

1) 具备2个ADC控制器功能,ADC采用ADS8555;

2) 具备6路串口控制器功能,波特率可设置,收发缓存不小于32Byte;

3) 具备6路PWM输出控制器功能;

4) 具备32路IO输入输出功能,输入可识别脉冲频率不小于5KHz;

5) 具备8路IIC和SPI接口控制器功能;

6) 具备与S698-T进行交互的并行接口功能;

7) 时钟资源:时钟可采用S698-T的时钟输出作为FPGA时钟输入,同时FPGA外接33MHz晶振;

控制器模块的协处理器的主要元器件选型如下:

1) FPGA:选用Altera FPGA;

2) 时钟:有源晶振,33MHz;

3) ADC:选用ADS8555;

4) 光耦隔离:HCPL-2630;

5) RS232总线接口驱动芯片:MAX3232ESE;

4.3电源供电设计

控制器模块采用+12VDC供电,模块内部需要用到的电源包括+5VDC、+3.3VDC、+2.5VDC、+1.2VDC,因此需要选用DC-DC模块芯片进行设计,具体选型如下:

1) 12V转5V:LM2596T_5.0;

2) 5V转3.3V:LT1963AMP-3.3V;

3) 5V转2.5V:LT1963AMP-2.5V;

4) 5V转1.2V:NCP565D2T12;

4.4 软件设计

基于高可靠处理S698-T进行多功能智能移动平台电控系统的设计,涉及到S698-T的控制软件设计,在此我们引入了嵌入式实时多任务操作系统(EOS)--RTEMS,利用珠海欧比特控制工程股份有限公司开发的基于此操作系统的Orbita EOS嵌入式操作系统及其Orbita EOS 开发工具,可大大提高软件编程效率和可靠性,具体可参考(Orion4.0用户手册,www.myorbita.net)。

7 结束语

在当今人工智能的热潮下,多功能智能移动平台的应用也日益广泛,各种应用场景对其电控系统提出了多种多样的要求,本文针对市面广泛的需求,提出一种基于S698-T的多功能智能移动平台电控系统的设计方案,可兼容市面的各种需求,为后续多功能智能移动平台的设计提供一种有效的参考。

 

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

随着科技的不断进步,传感器技术在工业、农业、医疗、环保等领域的应用越来越广泛。BF350传感器作为一种高精度、高稳定性的传感器,被广泛应用于各种测量和控制系统中。本文将详细介绍BF350传感器的使用方法,帮助读者更好地理...

关键字: 传感器 BF350 控制系统

功率电子开关是现代电力电子技术的核心组件之一,广泛应用于各种电力转换和控制系统中。本文将对功率电子开关的作用、分类、工作原理、应用领域以及发展趋势进行详细的探讨,旨在让读者深入了解功率电子开关的重要性和应用价值。

关键字: 功率电子开关 电力转换 控制系统

误差放大器是电子测量和控制系统中不可或缺的一部分,它负责将实际测量值与期望值之间的误差进行放大,以驱动后续电路或系统对误差进行补偿或调整。本文将对误差放大器的工作原理、组成结构、特点以及应用进行详细的探讨,旨在帮助读者更...

关键字: 误差放大器 电子测量 控制系统

今天,小编将在这篇文章中为大家带来工业控制系统的有关报道,通过阅读这篇文章,大家可以对工业控制系统具备清晰的认识,主要内容如下。

关键字: 工业控制系统 控制系统

在这篇文章中,小编将对工业控制系统的相关内容和情况加以介绍以帮助大家增进对它的了解程度,和小编一起来阅读以下内容吧。

关键字: 控制系统 工业控制系统

在下述的内容中,小编将会对工业控制系统的相关消息予以报道,如果工业控制系统是您想要了解的焦点之一,不妨和小编共同阅读这篇文章哦。

关键字: 工业控制系统 控制系统

随着工业自动化技术的不断发展,工业自动化控制系统在工业生产中发挥着越来越重要的作用。工业自动化控制系统通过自动化技术实现生产过程的智能化、高效化和精细化,提高了生产效率、降低了生产成本、提升了产品质量。本文将详细探讨工业...

关键字: 工业自动化 控制系统 智能化

电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的。它同电力系统的继电保护及安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。

关键字: 电力系统 通信网 控制系统

电机控制系统是现代工业和家庭中不可或缺的重要设备,它通过控制电机的运行状态,实现对各种机械设备的精确控制。本文将详细介绍电机控制系统的原理,并探讨其组成部分和应用。

关键字: 电机 控制系统

电机控制系统是工业自动化领域中的重要组成部分,其应用范围广泛,涉及到电力、冶金、石油、化工、制造等多个行业。电机控制系统的主要作用是控制电机的运行,实现各种复杂的运动控制和过程控制。本文将介绍电机控制系统的应用类型及相应...

关键字: 电机 自动化 控制系统
关闭
关闭