基于FPGA EtherCAT的六自由度机器人视觉伺服控制设计

概述：

中国制造2025的战略背景下，工业机器人技术的创新与应用占据了举足轻重的地位。工业机器人已经广泛应用于汽车加工、食物分拣、自动化生产装配等领域。随着智能制造业的飞速发展，对工业现场通信技术提出了更高的要求，特别是在节点间通信的实时性、可靠性以及通信带宽方面。工业以太网主站作为一种低成本、简单灵活、高速实时的嵌入式平台，在硬件上可以被广泛应用于工业以太网中。传统的硬件平台在处理图像时速度较慢，无法满足机器视觉的实时性要求。本文提出了一种基于伊瑟特的六自由度机器人视觉伺服控制系统，将摄像头集成到基于Zynq的伊瑟特主站上，以提高视觉伺服的实时性。

本文主要研究了基于机器视觉的工业机器人，并完成了以下工作：

1. 总体方案设计：以ESR6B机器人、Zynq和摄像头为硬件基础，搭建了六自由度机器人视觉平台。

2. 视觉检测方案设计：利用Xilinx提供的HLS和CV库，对从摄像头采集到的像素流进行实时处理，并设计了一套识别物块坐标位置的程序流程。

3. 伊瑟特对伺服的位置控制：利用Zynq的Pl层进行了伊瑟特以太网帧的收发和主站时钟的校准，在PS层运行裸机程序，并将六自由度串联机器人逆解算法移植到主站代码里，实现机器人末端位置对于视觉反馈的实时跟随控制。

4. 实验验证：通过实验验证了本设计在物块识别方面的准确性和实时性，并使用自主研发的六自由度串联机器人进行实际的运动控制实验。实验结果表明，机器人可以实时地跟随屏幕上显示的物块运动。

主要创新点在于：

本设计的难点在于提高视觉检测和机器人运动控制的实时性。创新地采用了Xilinx的Zynq异构处理器，将FPGA作为视觉处理的主要单元，并将伊瑟特主站移植到Zynq平台，在一块芯片内完成了实时的视觉检测和运动控制。本设计采用HLS进行视觉处理，对代码进行了优化，使整个视觉处理模块的延时仅为18.6ms。在通信方面，本设计使用FPGA进行伊瑟特帧的收发和校验，使得直流电同步周期抖动稳定在小于1U时间。本设计将集成摄像头的伊瑟特主站应用在自主研发的六自由度串联机器人上，使得机器人可以随着摄像头检测到的物体做实时的运动。实验结果表明，本设计的实时性优于PC平台的视觉处理，并成功完成了沿机器人X轴方向的实时视觉跟随运动。

系统架构：

深入解析Zynq异构芯片：硬件加速与视觉伺服控制系统的完美融合

Zynq，这一由Xilinx创新设计的芯片，融合了FPGA与ARM的强大功能。在这片系统芯片之中，我们看到了基于艾尔M的处理系统（PS）与可编程逻辑单元（PL）的协同工作。伊瑟特主站与linux操作系统在PS端流畅运行，而图像算法则在FPGA端享受硬件加速的优势，归属于PL端。阿希总线互联技术将FPGA与ARM巧妙地整合在一起，充分发挥两种器件的优势。

在视觉感知领域，摄像头作为关键组件，其特性参数如分辨率、帧率和色彩空间等对于系统的性能至关重要。我们的设计中选用了OV 5640 CMOS数字图像传感器，支持高达500万像素（2592x1944分辨率），并可输出YUV（422/420）、YCbCr 422、RGB 565以及JPEG格式的数据。本次设计采用的是RGB 565格式数据读取方式。

图像数据由OV 5640摄像头捕捉后，经过FPGA进行预处理和坐标检测。这些数据通过VDMA通道进入DDR 3内存，再经过一系列处理流程后，最终通过HDMI接口输出流畅的视频。

光源的选择同样关键，其特性如对比度、亮度、表面纹理和光源均匀性都需要仔细考量。我们选择了上海东冠科技的环形光源，型号为Rin-90-6R-10 W的白色发光二极管光源，其实物图如图2-4所示。

我们的六自由度机器人视觉伺服控制系统，基于伊瑟特技术，其设计如图2-5所示。为了验证视觉伺服性能，我们进行了一组对照实验。方案一采用Zynq板上集成的摄像头伊瑟特主站，而方案二则是通过USB摄像头连接至PC机，并使用广告将坐标数据传输给TwinCAT主站。两种方案使用相同的图像处理算法，并且主站都处于CSP模式下运行。

延时计算平台采用了STM 32+TFT彩屏和基于XMC 4300的伊瑟特步进从站。当屏幕开始刷新红色时，定时器启动计时，当接收到步进从站的脉冲时停止计时。通过实验对比，我们发现方案一的检测延时平均仅为58毫秒，而方案二却长达2.48秒。显然，在相同的图像检测算法下，FPGA的延时更低。本设计将摄像头直接集成到主站板上，进一步降低了图像传输延时和成本。这一创新设计在确保实时性的也展现了出色的经济效益。