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基于FPGA的六足仿生机器人嵌入式控制系统研究

作　者: 刘毓
导　师: 姜树海
学　校: 南京林业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 六足仿生机器人控制 FPGA SOPC
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对在复杂环境中能自主移动机器人的需求日益增长。自然界中多足昆虫能够轻易地穿越各种复杂的地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，课题将多足昆虫的行为学研究成果，融入到六足仿生机器人的设计与控制中，开发能在复杂自然环境中灵活运动的六足仿生机器人,对执行野外侦查、减灾救援等具有重大现实意义，对仿生机器人的发展具有重要的实际意义。论文在详细分析了六足仿生机器人控制系统研究现状的基础上，基于SOPC（系统整合型芯片）伺服控制技术的开发环境，利用内嵌Nios II处理器的FPGA设计六足仿生机器人嵌入式控制系统。FPGA控制芯片采用Altera公司生产的Cyclone II EP2C8Q，并采用以此芯片为基础设计的SF-NIOS II控制板实现机器人控制器。六足仿生机器人嵌入式控制系统包括两个部分，第一部分是在Nios II处理器内以软件方式实现，采用C语言编写应用程序，主要功能是实现机器人直行、转弯、避障的轨迹规划及温度检测和存储。第二部分是在FPGA芯片内完成系统复位，串口收发等模块的实现，以及Nios II的例化和周边I/O信号读取与输出。硬件实现计算简单且计算速度较快，有多组并行处理的能力。采用Verilog HDL硬件描述语言实现硬件代码的编写。论文以Bioloid公司生产的智能伺服舵机AX-12组成六足机器人架构，利用内嵌Nios II处理器的FPGA控制实现机器人完成各种动作。研究采用Quartus II软件实现设计输入和硬件配置，使用Quartus II中的SOPC Builer构架SOPC系统，实现了Nios II处理器核、SDRAM控制器、EPCS控制器、PLL、232UART等的配置。六足仿生机器人的软件开发过程是利用软件开发工具Nios II9.1Software Build Tools for Eclipse（简称EDS），对硬件系统中组件的驱动及应用程序进行设计。鉴于课题的前期工作基础，设计实现了六足仿生机器人嵌入式控制系统，并进行了整机测试，测试结果表明：机器人实现单舵机灵活控制和多舵机协调控制，能顺利避障和检测外界环境，机器人行走平稳，达到预期要求。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题来源及背景  8
  1.2 课题的研究目的及意义  8
  1.3 国内外六足仿生机器人控制系统研究现状  8-14
    1.3.1 国外六足仿生机器人控制系统研究现状  9-11
    1.3.2 国内六足仿生机器人控制系统研究现状  11-14
  1.4 课题研究内容和主要工作  14
  1.5 小结  14-15
第2章六足仿生机器人系统总体设计  15-26
  2.1 引言  15
  2.2 六足仿生机器人系统功能分析  15
  2.3 六足仿生机器人结构分析  15-16
    2.3.1 六足甲虫躯体结构  15-16
    2.3.2 六足机器人结构  16
  2.4 六足仿生机器人步态分析  16-20
    2.4.1 六足仿生机器人直行步态  17-18
    2.4.2 六足仿生机器人定点转弯步态  18-20
  2.5 六足仿生机器人驱动系统  20-23
    2.5.1 AX-12 数字舵机概述及特性  21-22
    2.5.2 AX-12 舵机通信协议  22-23
  2.6 六足仿生机器人感知系统  23-25
    2.6.1 内部传感器  24
    2.6.2 外部传感器  24-25
  2.7 六足仿生机器人控制系统  25
  2.8 小结  25-26
第3章六足仿生机器人控制系统概述  26-30
  3.1 引言  26
  3.2 嵌入式控制系统硬件选择  26
  3.3 嵌入式控制系统软件选择  26-27
  3.4 嵌入式控制系统开发  27-29
  3.5 小结  29-30
第4章六足仿生机器人嵌入式控制系统硬件设计  30-48
  4.1 引言  30
  4.2 六足仿生机器人嵌入式控制系统硬件结构  30-31
  4.3 FPGA 核心板结构和相关接口模块  31-36
    4.3.1 FPGA 核心板结构  31-33
    4.3.2 主控制器相关接口模块  33-36
  4.4 建立 Quartus II 工程  36-37
  4.5 机器人通信架构  37
  4.6 SOPC Builder 配置  37-42
    4.6.1 SDRAM 控制器配置  37-39
    4.6.2 EPCS 控制器配置  39
    4.6.3 NIOS II 处理器核配置  39-40
    4.6.4 PLL 配置  40
    4.6.5 232UART、JTAG UART 和 SPI 配置  40-41
    4.6.6 其他组件的添加与配置  41-42
  4.7 例化 NIOS II 工程  42-45
  4.8 分配引脚与编译下载  45-47
  4.9 小结  47-48
第5章六足仿生机器人嵌入式控制系统软件设计  48-64
  5.1 引言  48
  5.2 NIOS II EDS 软件开发平台  48-49
  5.3 单舵机控制  49-51
  5.4 多舵机协调控制  51-55
  5.5 NIOS II 的 UART  55-57
  5.6 SD 卡通信  57-59
  5.7 温度传感器 DS18B20  59-61
  5.8 超声波传感器  61-62
  5.9 报警  62-63
  5.10 软件调试和下载  63
  5.11 小结  63-64
第6章六足仿生机器人嵌入式控制系统实验测试结果  64-69
  6.1 引言  64
  6.2 温度检测  64-65
  6.3 单个舵机测试  65-66
  6.4 机器人复位测试  66
  6.5 六足仿生机器人直行测试  66-67
  6.6 机器人转弯测试  67
  6.7 六足机器人避障测试  67-68
  6.8 SD 卡存储与读取测试  68
  6.9 小结  68-69
第7章结论与展望  69-71
  7.1 引言  69
  7.2 作者的工作  69
  7.3 未来发展  69-71
参考文献  71-75
附录  75-87

基于FPGA的六足仿生机器人嵌入式控制系统研究

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