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群体机器人控制系统的设计与实现

作　者: 朱彤
导　师: 梁阿磊
学　校: 上海交通大学
专　业: 软件工程
关键词: 群体机器人系统控制系统硬件描述语言 PicoBlaze FPGA
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 85次
引　用: 1次
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内容摘要

群体机器人的控制系统是机器人的神经中枢,直接决定了机器人能否按照需求顺利完成指定的工作任务,因而成为群体机器人系统研究领域的热门方向。目前群体机器人控制系统的芯片多采用通用处理器芯片,其一般由大公司批量生产,标准统一,成熟稳定。但在一些特定的群体机器人系统的应用场景下,就有其不可避免的弊端:1.结构冗余,违背群体机器人对于个体低智能性的要求;2.当个体的数量成指数级增长时,成本会变得非常高。针对上述问题,本文设计并实现了一个自主的简单高效的群体机器人控制系统SiPU。SiPU系统采用总线结构,通过硬件描述语言设计了一个微控制器系统,包括作为主设备的处理器核模块和作为从设备的各外围接口模块,从设备通过总线和主设备连接在一起。接着将上述逻辑设计在FPGA上实现,最后完成FPGA开发板和机器人功能板的硬件连接,使之成为完整的群体机器人的控制系统。本文的主要工作包括:⑴设计了系统的总体架构。SiPU系统采用了PicoBlaze软核作为处理器核,Pbus作为系统总线,PWM模块、通用I/O模块和码盘反馈模块构成系统的运动控制模块,A/D转换模块作为系统的外围通信模块。⑵将运动控制模块又分为三个子模块:PWM模块、通用I/O模块和码盘反馈模块。通用I/O模块通过改变电机状态控制信号来主导群体机器人的运动状态;PWM模块通过改变PWM信号的占空比来控制机器人的速度;码盘反馈模块则是通过机器人两个车轮的反馈,进行方向控制、转弯控制和距离控制。⑶外围通信模块实现了A/D转换功能,具体地,可以用于避障检测。研究中使用了A/D转换芯片ADC0832,并给出了其与FPGA的连接电路。A/D转换模块的内部实现使用状态机的方法,完成三个功能:给外围芯片ADC0832提供时钟信号;输出通道选择信号;采集ADC0832芯片的输出数据。⑷将系统的逻辑设计在FPGA上实现,并完成FPGA开发板和机器人功能板的硬件连接,成为完整的群体机器人的控制系统。最后在群体机器人平台上完成“自由漫步”,验证了SiPU系统的正确性。实验结果表明,本文开发的系统满足群体机器人对于控制系统的需求,并且极其简单高效。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-16
  1.1 研究背景及意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
    1.2.1 群体机器人控制系统的研究现状  13-14
    1.2.2 微控制系统的发展与现状  14
  1.3 论文结构  14-15
  1.4 本章小结  15-16
第二章 SiPU 系统总体设计  16-28
  2.1 SiPU 系统概述  16-18
  2.2 PicoBlaze 微控制器模块  18-25
    2.2.1 PicoBlaze 应用框架  18-20
    2.2.2 PicoBlaze 原理与架构  20-22
    2.2.3 PicoBlaze 指令集  22-25
  2.3 Pbus 总线的设计  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章运动控制模块的设计  28-41
  3.1 运动控制模块设计的总体思路  28-30
  3.2 通用I/O 模块  30-34
    3.2.1 通用I/O 模块的设计原理  30
    3.2.2 通用I/O 模块的具体实现  30-34
  3.3 PWM 模块  34-37
    3.3.1 PWM 的基本原理  34-35
    3.3.2 SiPU 系统PWM 模块的具体实现  35-37
  3.4 码盘反馈模块  37-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章外围通信模块的设计  41-48
  4.1 A/D 转换原理  41-42
  4.2 ADC0832 芯片简介  42-45
  4.3 SiPU 系统A/D 转换模块的设计  45-47
  4.4 本章小结  47-48
第五章 SiPU 系统的实现与验证  48-59
  5.1 实验环境介绍  48-50
    5.1.1 FPGA 研究  48-49
    5.1.2 实验平台简介  49-50
  5.2 SiPU 系统的软件实现  50-55
    5.2.1 逻辑设计  50-51
    5.2.2 设计实现  51-55
  5.3 SiPU 系统的硬件实现  55-56
  5.4 SiPU 系统的功能验证  56-58
  5.5 本章小结  58-59
第六章总结与展望  59-61
  6.1 全文总结  59-60
  6.2 研究展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
攻读硕士学位期间已发表或录用的学术论文  65

群体机器人控制系统的设计与实现

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