中型組機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)

一種高效的硬件測試手段和系統(tǒng)測試方法，它能夠獲取并顯示可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的實(shí)時(shí)信號，它可以隨設(shè)計(jì)文件一起下載到FPGA中，用于捕捉FPGA內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和I／0引腳的狀態(tài)，就如同使用真的邏輯分析儀一樣，對設(shè)計(jì)進(jìn)行在線仿真，但又不影響硬件系統(tǒng)的工作。為了檢驗(yàn)測得的全向輪實(shí)際速度值是否準(zhǔn)確，對設(shè)計(jì)的測速模塊進(jìn)行了在線仿真。設(shè)定每個(gè)全向輪以固定的速度轉(zhuǎn)動，對比測得的實(shí)際速度值和設(shè)定的速度值，如圖8所示。

在嵌入式邏輯分析儀中，對PID模塊也進(jìn)行了在線測試。實(shí)驗(yàn)條件：在空載條件下，頻繁變化電機(jī)的速度，通過嵌入式邏輯分析儀觀察FPGA內(nèi)部PID調(diào)節(jié)后的速度值和設(shè)定值，圖9所示為一號全向輪的速度設(shè)定值與反饋速度值。

三輪全方位移動機(jī)器人與雙輪差速不同，具有很大的靈活性，況且由于3個(gè)全向輪的負(fù)載的不同，使得機(jī)器人不能走出精確的直線。而要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制，一個(gè)前提就是讓它能夠走出很直的直線。為檢驗(yàn)機(jī)器人控制性能，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：機(jī)器人以固定速度分別向前后左右4個(gè)方向行走，先觀察沒有加入PID控制算法時(shí)的情況，然后再觀察加入PID控制算法時(shí)的情況。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

分析：由于機(jī)器人的3個(gè)全向輪所承受的負(fù)載不一樣，即在相同的占空比的PWM下，3個(gè)輪子的實(shí)際速度并不相同，這就使得三輪速度不可能準(zhǔn)確合成機(jī)器人的速度，進(jìn)而影響機(jī)器人的控制軌跡。根據(jù)圖1所示的機(jī)器人1號輪和3號輪負(fù)載相當(dāng)，2號輪子承受的負(fù)載較大，沒有加入PID控制器時(shí)，前后運(yùn)動雖然在一定范圍內(nèi)近似直線，但是機(jī)器人運(yùn)行的速度達(dá)不到預(yù)期設(shè)定的速度，左右運(yùn)動軌跡就是一個(gè)圓，而且設(shè)定的機(jī)器人左右移動速度大小還決定了機(jī)器人是朝順時(shí)針方向還是逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)圈。加入PID控制算法后，輪子的速度得到校正，機(jī)器人能夠以預(yù)期設(shè)定的速度前后左右運(yùn)動，特別是左右運(yùn)動在一定范圍內(nèi)近似為直線，不再是圓圈。可見PID閉環(huán)控制算法明顯提高了機(jī)器人的控制性能。

5 結(jié)語
針對目前常見的以DSP為核心實(shí)現(xiàn)足球機(jī)器人底層運(yùn)動控制系統(tǒng)的方案，提出了一種采用FPGA實(shí)現(xiàn)三輪全方位移動足球機(jī)器人的底層運(yùn)動控制系統(tǒng)的方法。通過在三輪足球機(jī)器人上的應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這種采用FPGA實(shí)現(xiàn)的方案有很好的實(shí)時(shí)性，精確度較高，而且由于FPGA本身的引腳多特點(diǎn)，其可擴(kuò)展性較強(qiáng)，比如可以通過串口配置數(shù)字羅盤等外圍信息傳感器等其他傳感器，同時(shí)，本設(shè)計(jì)對于研究多電機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案有重要的參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。
另外，由于全向輪的隨動性較強(qiáng)，且易打滑，在實(shí)行精確控制的時(shí)候方向容易受到影響，而且PID閉環(huán)控制算法反應(yīng)時(shí)間較長，參數(shù)還需要更多時(shí)間的調(diào)試，在以后的研究中，我們將研究更為精確的控制算法，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的精確控制。