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龙图腾网获悉浙江大学申请的专利基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115026876B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-07-22发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202210804299.0，技术领域涉及：B25J19/00；该发明授权基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统是由李世阳;陈积明;史治国;赵成成设计研发完成，并于2022-07-07向国家知识产权局提交的专利申请。

本基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统在说明书摘要公布了：本发明公开了一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统，本发明在Zynq平台上通过HLS语言设计了六自由度并联平台液压杆长度反解算法，利用Zynq中PL端的逻辑资源解决了六自由度并联平台反解算法和控制模块运算量较大，并行化要求高的问题；使用ZynqPS端实现了基于以太网接口的TCP数据帧和命令帧传输方案，将参数配置和数据传输集成在同一块Zynq芯片中，提升了控制器的集成度和在复杂工作环境下的稳定性，解决了传统控制方案功耗高，体积较大的问题；利用HLS的ap_fixed数据类型降低了反解计算中的时间开销，提升了反解算法的运行速度，降低了解算延迟。

本发明授权基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法及控制系统在权利要求书中公布了：1.一种基于Zynq和HLS的六自由度并联平台控制器设计方法，其特征在于，包括： 步骤一，HLS实现六自由度并联平台的反解算法IP；基于台面坐标系和基座坐标系的空间坐标变换，根据台面的期望位姿和平台结构参数，求解出六自由度并联平台的六根液压杆长度；基于HLS的优化方法，通过插入流水线设计提升IP运算的数据吞吐量，降低求解延迟；使用不同位宽的定点数降低求解复杂度，保证求解精度的情况下提升求解速度；所述反解算法IP的设计过程如下： a反解算法IP根据传入的运动台面的角度信息求出相应的正余弦值后带入位姿变换矩阵x,y,z三个方向角度和三个位姿变换矩阵的函数关系如下所示： b通过x,y,z三个方向的位姿变换矩阵相乘得到台面和基座两坐标系间的角度位姿变化矩阵tfBP； tfBP＝rotzorints[3]*rotyorints[2]*rotxorints[1] 其中，orints[1],orints[2],orints[3]分别为运动台面绕x,y,z三轴转角； 矩阵连乘操作需要多次并行化访问位姿变换矩阵中的数据，将矩阵变量添加HLS中的ARRAY_PARTITION数据分块实现方式，对相乘的左右矩阵分别按照行和列进行分块存储，实现乘法运算的并行计算，从而对数据访问的并行性进行优化； c通过运动台面位姿信息形成的角度位姿变换矩阵tfBP和运动台面x,y,z三个方向的位移trans，初始情况下基座坐标系原点到台面坐标系原点的向量height，液压杆和台面连接点坐标jointplat[i]，液压杆和基座连接点坐标jointbase[i]，计算出在基座坐标系下运动台面和液压杆连接点坐标值，进而计算出六个液压杆在基座坐标系下的空间向量leg[i]，i∈[1,6]代表六根液压杆； leg[i]＝trans+height+tfBP*jointplat[i]-jointbase[i] 对leg[i]向量取模后得到液压杆长度|leg[i]|； 考虑到解算的速度要求，HLS支持自定义定点数总位宽和小数部分位宽，通过HLSap_fixed自定义数据类型降低定点数总位宽至16位-32位，并将小数部分位宽设置为总位宽的一半，在保证精度的情况下提升解算速度； 步骤二，以太网数据传输模块设计，包括以下子步骤： 2.1TCP连接状态检测定时器初始化，通过定时器周期性监听TCP连接是否存在，若检测到连接断开则重新建立连接； 2.2LwIP库的开发，设计发送数据和接收数据的相关回调函数，设计向上位机传输SSI长度传感器采样得到的六根液压杆杆长数据的传输函数，配置目标地址端口； 2.3传输帧格式设计，通过对传输帧不同位赋予不同的含义从而实现上位机和控制器对命令帧和数据帧的区分； 2.4数据帧长度的设计，设计SSI长度传感器采样点的位宽和每数据帧包括的采样点数，通过对传输缓冲区乒乓操作降低传输等待时间； 所述以太网数据传输模块的设计，具体为： a控制器上电后进行初始化操作，包括TCP连接状态检测定时器初始化，GPIO初始化，LwIP相关参数初始化，DMA中断函数初始化； b控制器监听上位机IP地址和端口，上位机通过TCP连接向控制器PS端传入命令帧，当接收到上位机指令后调用接收数据的回调函数，进而对上位机指令进行进一步判断； c通过命令帧的第一个字节判断当前命令帧的属性；若为0x01，则当前命令帧为重设平台结构参数；若为0x00，则当前命令帧为传输台面期望位姿的位姿帧，即位姿帧包括期望的运动台面x,y,z方向位移和运动台面绕x,y,z三轴转角roll,pitch,yaw；对于脱离上位机的离线操作，从EMMC存储模块读取存储的期望轨迹位姿数据； d确认当前命令帧为位姿帧后，PS端通过调用Xil_Out32将期望的位姿向量通过AXI-Lite协议传入反解算法IP，再通过调用启动函数XSteback_Start启动反解运算； e反解结果向上位机回传部分，通过状态检测函数XSteback_IsDone检测反解计算是否完成；反解计算完成后即得到期望液压杆长度，将期望液压杆长度保存在LwIPTCP传输区的首部24个字节中； f通过AXI-DMA将SSI长度传感器采样得到的256字节，共64采样点的实际液压杆长度数据传入PS端期望液压杆长度24字节之后的LwIPTCP传输区中； g当期望液压杆长度和实际液压杆长度序列均写入LwIPTCP传输区后，通过设计的传输函数确认待发送数据长度小于发送缓冲区剩余可用长度，启动TCP传输，在TCP的数据帧首部写入当前传输采样点数和每个采样点的位宽，当向上位机发送完一批数据后调用发送数据的回调函数，对发送的数据量进行统计； 步骤三，PS和PL之间的AXI总线数据传输模块设计，包括以下子步骤： 3.1设计PL端HLSAXI-Lite接口，通过AXI-LiteIP内的寄存器接收PS端传来的增量PID模块的参数；步骤3.1具体为： a自定义AXI-LiteIP，定义AXI-Lite位宽为32位，共计4个寄存器用来配置增量PID参数，初始化定义连接至PS端的AXI_M接口，并为AXI-LiteIP分配相应地址； b4个寄存器分别存储PID的P参数、I参数、D参数和计算步长，PS端通过AXI-LiteIP将增量PID参数写入例化的BRAM中，增量PID模块通过读取增量PID参数结合期望液压杆长度和实际液压杆长度，计算得到增量PID的输出量； 3.2设计和配置PL端到PS端SSI长度传感器数据传输相关AXI-StreamIP，将SSI长度传感器数据从FIFO中批量传回PS端并且产生PS端中断信号；步骤3.2具体为： aPS端开启AXI-HP接口，声明DMA_DEVICE_ID，初始化DMA中断； b将SSI长度传感器采样得到的实际液压杆长度数据拓宽为32位后，写入深度为64的FIFO中，当检测到FIFO满信号时启动DMA传输； cPS端接收到DMA传输完成的中断后，将PS端接收到的SSI长度传感器的数据进行滑动滤波后存入TCP发送缓冲区中； 步骤四，液压杆长度控制模块设计，包括以下子步骤； 4.1SSI长度传感器和DAC伺服阀控制模块的驱动设计； 4.2SSI长度传感器数据格式转换和定点浮点转换； 4.3增量PID模块的verilog实现； 所述步骤四具体为： a实际液压杆长度传感器采集部分通过SSI接口连接液压杆上的SSI长度传感器，将SSI接口采样到的串行数据经过串行转并行并且滑动滤波后得到实际液压杆长度数据； b控制部分采用增量PID的方式，期望的六个液压杆长度为之前反解算法IP得出的值，将实际液压杆长度数据和前两个采样周期得到的采样数据与期望值计算得到的误差值带入增量PID公式中，得出输出的控制量； c通过状态机模型，将上一步求出的控制量转化为SPI接口信号输出到DAC，DAC将控制信号转化为液压伺服阀的模拟电信号，对液压伺服阀开度进行控制，进而控制液压杆的伸长或缩短长度。

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