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基于FPGA的小型足球机器人的控制系统研究

作　者: 李明雄
导　师: 李晓明
学　校: 浙江理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 控制系统 FPGA 足球机器人运动控制无线通信
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

足球机器人比赛是一个高实时性、高动态特性的环境,在比赛中足球机器人必须具备高度的机动性和灵活性。因此,一个良好的控制系统是对于足球机器人来说非常重要的,足球机器人要能实现快速前进、后退、转角、停车等基本动作,要具备控球、射门、挑球等基本技能,都离不开精确的控制系统。本课题主要研究小型足球机器人的控制系统,使足球机器人在比赛中完成各种动作和实现对运动的控制。主要研究内容如下:(1)底层系统的电路设计。底层电路和基于FPGA的SOPC系统共同构成整个控制系统的硬件电路。底层电路系统包括通信子系统、击球子系统、红外测球系统、电机驱动和电源模块等,重点对通信子系统、击球子系统进行了设计。通信子系统主要包括无线通信芯片的特性,以及无线发射器和接收器的电路设计;击球子系统包括击球系统的控制方案,高压升压电路的设计和电磁铁驱动电路的设计。(2)基于FPGA的SOPC系统设计。主要包括FPGA外围电路、功能模块电路、SOPC外设的设计,重点对功能模块电路和SOPC外设进行了设计。功能模块包括测速系统电路和击球逻辑电路,对测速系统的方法选择、滤波电路、测速电路以及击球逻辑电路的工作原理进行了详细的分析与设计。SOPC外设重点在于PWM设计和无线通信芯片PTR4000接口电路的设计,详细分析了工作原理和程序设计。(3)控制系统的软件设计。主要包括功能模块的FPGA程序、无线通信、运动控制以及驱动程序等。FPGA程序重点是PWM的程序设计。无线通信主要设计了配置程序,无线发射程和无线接收程序。运动控制主要包括控制算法的设计,参数选择以及程序的编写。主控程序主要包括系统主控器的主程序,初始化程序和中断服务程序。(4)系统调试与测试。主要包括对各个电路模块的调试情况和对系统基本功能的测试情况。系统调试的对象主要包括FPGA最小系统、测速模块,PWM模块以及升压模块和电机驱动等。系统测试在软硬件实验平台对足球机器人的功能进行测试,包括无线通信、红外测球,平射、挑射、控球等基本动作,以及前进、后退、旋转、停车等运动性能,重点对机器人的调速性能进行了测试。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题背景和研究意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-13
    1.2.1 机器人足球的研究现状  12
    1.2.2 小型组机器人足球的研究现状  12-13
  1.3 论文的研究内容  13-14
  1.4 论文的组织结构  14-15
第二章控制系统的总体设计  15-21
  2.1 足球机器人的运动模型  15-16
  2.2 足球机器人的控制流程  16-18
  2.3 控制系统的需求分析  18-19
  2.4 控制系统的设计方案  19-20
  2.5 本章小结  20-21
第三章底层系统的电路设计  21-33
  3.1 通信子系统  21-24
    3.1.1 通信子系统的结构  21
    3.1.2 主要芯片选型  21-23
    3.1.3 无线通信的电路设计  23-24
  3.2 击球子系统  24-28
    3.2.1 击球子系统方案  24-25
    3.2.2 升压电路  25-27
    3.2.3 电磁铁驱动电路  27-28
  3.3 红外测球系统  28-29
    3.3.1 红外测球原理  28
    3.3.2 红外测球电路  28-29
  3.4 电机驱动  29-32
    3.4.1 电机选型  29-30
    3.4.2 驱动电路  30-32
  3.5 电源模块  32
  3.6 本章小结  32-33
第四章基于FPGA 的SOPC 系统设计  33-49
  4.1 FPGA 和SOPC 介绍  33-34
  4.2 FPGA 基本电路  34-36
    4.2.1 芯片选型  34-35
    4.2.2 电路设计  35-36
  4.3 SOPC 系统总体设计  36-38
    4.3.1 系统总体方案  36-37
    4.3.2 系统总电路  37-38
  4.4 功能模块设计  38-42
    4.4.1 测速功能模块  38-41
    4.4.2 击球控制电路  41-42
  4.5 SOPC 模块设计  42-48
    4.5.1 PWM 设计  43-45
    4.5.2 PTR4000 接口设计  45-47
    4.5.3 NIOS II 和RAM 配置  47
    4.5.4 PIO 接口  47-48
  4.6 本章总结  48-49
第五章控制系统的软件设计  49-60
  5.1 软件开发环境  49
  5.2 FPGA 程序  49-52
    5.2.1 JK 触发器  49-50
    5.2.2 PWM 接口  50-52
  5.3 无线通信  52-55
    5.3.1 通信协议  52-53
    5.3.2 通信程序  53-55
  5.4 运动控制  55-58
    5.4.1 控制算法  55-56
    5.4.2 参数选择  56-57
    5.4.3 运动控制程序  57-58
  5.5 主控程序  58-59
    5.5.1 初始化  58
    5.5.2 主程序  58-59
    5.5.3 中断程序  59
  5.6 本章小结  59-60
第六章系统调试与测试  60-68
  6.1 系统调试  60-64
    6.1.1 FPGA 最小系统调试  60-62
    6.1.2 测速模块调试  62
    6.1.3 PWM 模块调试  62-63
    6.1.4 驱动模块调试  63-64
  6.2 系统测试  64-67
    6.2.1 机器人实验平台  64-65
    6.2.2 无线通信测试  65
    6.2.3 踢球、控球、测球等功能测试  65-66
    6.2.4 运动功能测试  66-67
  6.3 本章小结  67-68
第七章总结与展望  68-70
  7.1 课题总结  68-69
  7.2 工作展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
附录  75-76
攻读硕士学位期间的研究成果  76

基于FPGA的小型足球机器人的控制系统研究

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