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1、基于 FPGA 控制器的移动机器人摘要:随着应用程序在机器人和自动化上面的应用越来越广泛，开放能够在原始系统上进行修改、更新和增强的应用程序变得越来越需要。该项目提出了一种快速原型的移动机器人概念，能够根据增长的复杂性运行不同的控制指令，并且计算提出面向嵌入式系统的实现。这种控制器可以在不同的平台上面进行测试代表着这个移动机器人使用的是大规模可编程逻辑组件（FPGA） 。这个移动机器人能够检测障碍,还能够控制速度。不同的模块有执行器，传感器和无线传输模块。所以的这些模块将使用 FPGA 控制器接口。我想构建一个简单的机器人机械模型,它可以借助传感器测量距离障碍,并且能够控制电机的速度。我想构建
2、一个简单的机器人机械模型,它可以借助传感器测量距离障碍,并且能够控制电机的速度。关键词:可编程门阵列(FPGA),移动机器人,L293D 驱动器,GP2D12 测距传感器。1 简介可重新配置的可编程门阵列（FPGA）的出现催生了一个新的完整的移动机器人控制系统平台。使用 FPGA 设备，可以定制适应应用需求的设计（例如，具有探索和导航功能的机器人） 。当任务不太复杂时，通用计算机可以提供可接受的性能。如果环境是动态的或半动态，一个单处理器系统不能保证实时响应(特别是在缺乏相当大的附加硬件)。本文只着重于研究具有两个安装在同一轴的驱动轮和一个自由的前轮的移动机器人平台。一个基于 FPGA 的机器
3、人系统可以设计来处理并行任务。一个基于 FPGA 的机器人在以下领域比使用单一的通用处理器/以计算机为基础的机器人有所提高:1 增强型 I / O 通道。人们可以直接在 FPGA 设备上向计算机元素映射逻辑设计。2 相比于台式机/笔记本电脑具有更低的功耗。3 支持非冯诺伊曼计算模型的逻辑设计。4 支持简单的验证逻辑设计模块的正确性。轮式移动的机器人（WMRS）在坚硬、光滑的表面比腿或训练的机器人更节能，由于现有的工业环境中的地板是什么的坚硬和光滑，Bekker60 将可能是第一个被发现广泛的应用在工业中的移动机器人。WMRs 只需要很少、很简单的部件,因此比腿或训练的移动机器人更加容易构建。轮
4、控制比多关节驱动的腿控制简单,并且轮子对表面造成的损伤相比踏板要小很多。移动机器人一下部件构成的: 力学(底盘、住房、车轮) 机电部件 传感器机器人需要执行许多不同的任务。在这些任务中机器人移动和定位。在导航过程中，它使用环境信号和自身内存中的内容做出正确的决策。这种形式的导航根据给定的任务和问题的不同可能是多种多样的。通常目标是可以被感知到的,在机器人和目标之间是没有障碍的，但有很多时候这不是这种情况, 那么这个标记点必须感知到和然后知道路线。为了让机器人能够做到这一点,它必须包含两个主要部分: 驱动、动作 控制、方向。2 轮式移动机器人移动机器人是仅仅通过安装在机器人上的驱动车轮组在地面上
5、移动和接触地面的机器人。一个轮组是一个提供或允许相对运动之间挂载的设备，能够在地面上有一个单点滚动接触。最简单的情况下的移动机器人是轮式机器人，如图 1。轮式机器人包括一个或多个驱动轮（图中实心部分）和可选的被动或脚轮（空心部分）和转向轮（圈在圆内） 。大多数设计中需要两个电机用于驱动（和转向）一个移动机器人。在设计上也同样如此。它需要两个电机，一个用于驱动图 1 的左手侧的一个单一从动轮，另外一个用于转向。这种设计的优点是，通过使用两个不同的电机使驱动和转动的动作被完全分离。在图 1 的中间的机器人被称为“差分驱动器” ，是最常用的移动机器人设计之一。两个驱动轮的结合可以让机器人直线行走、曲
6、线行走或者原地转圈。最后，在图 1 的右手侧的是所谓的“阿克曼转向” ，是后轮驱动的乘用车的标准的驱动和转向系统。我们通过一个差分盒使用一台电机驱动两后轮，使用一台电机来控制两个前轮的组合转向。图 1：轮式机器人3 移动机器人的硬件描述A. 移动机器人的构架在移动机器人平台的提议下，FPGA 控制器的使用，尤其是在控制软件高速发展的现在，应用程序被认为应该使用结构化设计、模拟，使用 SIMULINK 来进行验证。我们使用 FPGA 硬件来改变函数模型的原型。7 段显示运动控制FPGA控制器ACD 转换器传感器图 2：移动机器人方块图图 2 给出了系统设计的总体流程。这个系统包括了硬件和软件的开
7、发。ADC 的输出被连接到 FPGA 电路板，它被用来作为输入的源代码。在本系统中使用的汇编语言是 Verilog 硬件描述语言。经过仿真和合成过程之后，这个程序在 FPGA板上执行。图 3：移动机器人平台和元素图 3 给出了移动机器人平台和其元素。B. L293D 与 FPGA 对电机控制的接口FPGA 将会处理 PWM 程序，将输出给 L293D 的使能管脚，那个能够激活 L293 四倍高电流的于目前的一半 H-驱动器芯片（L293 数据表） ，然后控制电机的转速。表 1 给出了真值表来获得 L293 来执行不同的运动操作,如“前进”等。图 4：PWM 的原理图符号功能 输入前进 1110
8、10后退 110101向左 010010向右 101000表 1:逻辑输入激活 L293 芯片C. FPGA 与 ADC0809 的接口一个 A / D 转换器可以将模拟信号转换成数字值。一个 8 通道，8 位 A / D 输入可读取的模拟电压在 0 至 5 伏特之间。一些设备比如模拟操纵杆或电位器可以被连接到 ADC 通道，转换后的数字输出可以被读取和被发送回的 FPGA 电路板，然后控制直流电动机的速度。图 5 给出了 ADC 的结构。A / D 转换器的特性包括： 精度它产生的每个值都由几位数（例如 10 位 A / D 转换器） 速度每秒的最大转换速度（例如每秒 500 次转换） 测量
9、范围电压（例如 0.5V）图 5: Xilinx-ISE 环境下的 ADC 系统1) 测距传感器夏普 GP2D12 模拟传感器只是返回电压等级测与量距离的关系。如上所述，在图6 中可以看出数字传感器的读出（原始数据）和实际的距离信息之间的关系。从这个图很明显看出传感器不返回一个线性值或者与实际距离成比例, 所以对原始传感器值进行后处理是必要的。解决这个问题的最简单的方法是使用一个可以为每个单独的传感器校准查找表。图 6:模拟输出电压与反射对象的距离4 综合结果VHDL 系统由以前所有的块连接在一起，作为一个整体模拟，然后才下载到FPGA。图 8 显示了从 ADC 块获得的仿真结果。这里 STA
10、RT 和 ALE 信号必须至少高于 100ns 才能开始 ADC 转换器的转换过程。当转换完成后，EOC 和 OE 信号将会变高。以数字形式的输出然后给 FPGA 作为输入。根据数字输入计算 PWM 的输出。图 9 显示了 PWM 块的仿真结果。其他模拟结果的七段显示如图 10 所示。图 10 给出了当 adc 在0:3输入是给定的介于 0 9 的值，在二进制“0000”,“1001”显示的正确的数字数据。它显示出 GP2D12 传感器测得的距离（厘米） 。图 11 给出了 FPGA XC2S50 的原型板，图 12 给出了模拟结果。图 7：移动机器人 RTL 原理图图 8：ADC VHDL
11、代码的仿真结果图 9：PWM VHDL 代码的仿真结果图 10：7 段 VHDL 代码的仿真结果图 11：FPGA XC2S50 原型板图 12：全系统的 VHDL 代码的仿真结果5 小结本文介绍了使用硬件描述语言(VHDL)设计和实现一个简单的移动机器人的代码。这种设计可以被描述为通过传感器的执行机构的映射来控制机器人的动作。结果表明,可以通过配置 FPGA 来实现成功设计。本文进行讨论了在这个项目中使用的方法。完成这个项目有四个阶段。第一阶段是设计输入，其中包括软件和硬件的开发。硬件的发展导致了电机、ADC 电路和使用 ISE 仿真器的软件的发展。仿真过程用于验证设计和合成工艺用于生成框图
12、。6 结论与未来的工作机器人平台工程对教学和研究的知识整合是必要的，如建模，控制，自动化，电力系统，嵌入式电子和软件。用于此目的的移动机器人的使用似乎是相当有吸引力的解决方案。它允许若干重要领域的知识和低成本的已经通过与其他研究机构的成功整合解决方案。这项工作的主要目的是提出一个机器人的移动通信系统通用平台去寻求获得本科生和研究生活动的支持。另一个目的是收集移动机器人领域的知识，以提出为工业的问题（如维护，监督和运输材料）的切实可行的解决方案。移动机器人系统现在收到越来越多的重视，因此，在高等教育中与他们接触一下是必须的。自主移动机器人可用于在工厂提供零部件，是一个安全互补的系统平台，他们也可
13、以用于人类不给去的危险的地方。无线信道也可加入系统来增加系统的灵活性。所提出的框架仍然是简单和用户友好的；另外，对于特定的应用程序它提供了足够的灵活性。我们的方法可以通过添加更多的模块,或其他外围接口扩展到具有更多的要求应用程序。目前我正在致力于开发整合了上面所讨论的所有模块的硬件描述语言(VHDL)代码。致谢我想表达对 SS Shriramwar 教授对我项目的支持表示感谢，感谢 Engg, Nagpur 大学的 Priyadarshani 学院。我想感谢我的导师，在他的帮助下建立设计了系统，还有感谢他在 FPGA 上的建议。参考文献：1) Chris Lo. “Dynamic Reconf
14、iguration Mechanism For Robot Control Software”. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Auckland, Auckland, New Zealand.2) J.M. Rosario, R. Pegoraro, H. Ferasoli. “Conception of Wheeled Mobile Robots with Reconfigurable Control using Integrate Prototyping”. Laboratory of Au
15、tomation and Robotics, Sao Paulo, Brazil3) Istvn Matijevics: Microcontrollers, Actuators and Sensors in Mobile Robots, in Proceedings of 4thSerbian-Hungarian Joint Symposium on Intelligent Systems (SISY 206) September 29-30, 2006, Subotica, Serbia.4) Volnie A.Pedroni. “Circuit Design with VHDL” .MIT
16、 Press, Cambridge, Massachusetts, London , England.5) Prabhas Chongstitvatana. “A FPGA-based Behavioral Control System for a Mobile Robot”. IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, Chiangmai, Thailand, 1998.6) Thomas Brunl. “Embedded Robotics”. Springer- Verlag Berlin Heidelberg 2003, 2006, Printed in Germany.7) J. Borestein, H. R. Everett, L. Feng: Where Am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, University of Michigan,
