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群体机器人控制系统的设计与实现

朱彤  
【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。


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