基于FPGA技術的全方位移動機器人運動控制系統(tǒng)的方案設計
0 引言
目前,全方位移動機器人由于具有出色的靈活性,已經(jīng)成為RoboCup中型組足球機器人比賽中最理想的選擇。而機器人的運動控制一直以來都是直接影響機器人性能的主要因素,也是移動機器人研究的熱點之一。本文研究了一種用FPGA技術實現(xiàn)三輪全方位移動機器人運動控制系統(tǒng)的方法,與雙DSP結構,DSP+CPLD結構,以及DSP+專用集成電路結構等相比,該方法具有簡單可靠,擴展性強等特點。且FPGA設計簡單,使用方便,開發(fā)周期短,能夠實現(xiàn)真正的SOPC系統(tǒng)。
1 全方位移動機器人運動模型
設世界坐標系下機器人的速度為ε=[vx,vy,φ],則當vx=O,vy≠0,φ=O時,機器人做前后方向的直線運動,當vx≠0,vy=0,φ=0時,機器人做左右方向的直線運動,當vx=0,vy=0,φ≠0時,機器人做自轉運動。圖1中,ω1,ω2,ω3為3個主動輪的轉動角速度,R為全向輪半徑;L1,L2,L3為機器人車體中心到3組全向輪中心的水平距離,設有L1=L2=L3=L。α為前兩輪之間的夾角,另外2個夾角均為180°-α/2。則機器人坐標系下的速度到三輪速度之間的關系如下:
由式(1)可以看到:知道了機器人在平面世界坐標系中的速度要求后,便可以得到主動輪的速度要求,進而對電機發(fā)出相應的控制信號。
2運動控制方案本系統(tǒng)總體設計思路如圖2所示,首先通過RS 232接口,實現(xiàn)PC機與底層控制芯片F(xiàn)PGA的通信,F(xiàn)PGA在接收到相關的機器人坐標系下的速度后,將機器人坐標系下的速度值轉化成機器人3個全向輪子的角速度,將得到的角速度值計算出相應的占空比,生成相應占空比的PWM波形,輸出信號接到直流伺服電機驅動器,然后通過FPGA采集正交編碼盤信號,計算出輪子實際的角速度值,做PID速度閉環(huán)控制。鑒于FPGA模塊復制的優(yōu)勢,這里對每個全向輪分別做了PID閉環(huán)控制。
3 系統(tǒng)硬件設計
采用的三輪全方位移動機器人系統(tǒng)框圖如圖3所示,上位機主要完成圖像信息的采集、處理、路徑規(guī)劃,并實現(xiàn)與場外裁判盒的通信。下位機主要是FPGA,主要實現(xiàn)三輪編碼信號的采集,PID速度閉環(huán)控制,踢球控制,電機控制信號的產(chǎn)生,還有其他的傳感器信息的采集等,并負責與上位機之間的信息交互。本設計只是完成了下位機運動控制部分。
3.1 正交編碼信號采集與測速實現(xiàn)
增量式光
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