STM32的研究与应用是目前嵌入式的一个重要的方向。与其他同类型的芯片如单片机、DSP相比,STM32具有更高的灵活性,可剪裁性、性价比高等优点。然而,随着人们的需求提高,对于嵌入式的计算能力需求也在提高,但由于嵌入式其自身基于的冯·诺依曼架构,在数据运算与信号处理上仍有着先天的不足,而机器人的发展已越来越趋向于面向复杂的环境并时刻处理复杂的突发情况,这使得需要大量运算的算法无法加入到嵌入式实时的控制系统当中,使其在一些需要高速信号处理的场合存在运算瓶颈。本文在“深圳市迈步机器人科技有限公司”的支持下,以提高机器人的实时控制器的控制性能为目标,以实现安全柔顺的人机交互为期望,提出了基于STM32与FPGA的联合架构,既保留了STM32的丰富接口的同时又设计了与STM32对接的FPGA运动控制器,使其具有高速的信号处理能力,以及高效的运算能力。本文的主要研究内容及贡献包括:(1)设计了STM32实时系统与FPGA实时控制器联合控制平台,将现有的STM32以1kHz为控制频率极限的实时控制系统,加速至10kHz控制频率的实时控制系统。以获得更快的系统响应,以及更平滑的控制轨迹。并且由于芯片本身的物理大小,和高度的可定制性,可以很方便的在商业设备中进行使用,极大的减小了商用机器人的成本。该平台在串联弹性驱动器的单关节的控制上进行了系统验证。(2)本文结合了基于趋近率的滑模控制器与非线性的扰动观测器,将结合后的控制器经过设计后放入FPGA控制器中,在串联弹性驱动器的位置控制以及力控制上进行了实际验证,验证结果表明相较于传统的PID控制,滑模控制与扰动观测器的结合具有更强的鲁棒性与抗干扰能力。
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