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

摘 要:以RoboCup中型組足球機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出一種基于FPGA的全方位移動(dòng)足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。首先分析和研究三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，建立其運(yùn)動(dòng)控制模型，然后以FPGA為主要處理器，設(shè)計(jì)了PID速度閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的精確控制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)方法具有很好的實(shí)時(shí)性，能夠?qū)θ轿灰苿?dòng)機(jī)器人進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的控制。

關(guān)鍵詞:RoboCup; 全方位移動(dòng)機(jī)器人;FPGA; PID

中圖分類號(hào):TN911; TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0127-04

Medium-sized Group of Robot Motion Control System Based on FPGA

WANG Quan-zhou， PEI Dong， TAO Zhong-xing， YANG Shuo， CUI Tao， LIU Ping-he

(College of Physics and Electronic Engineering，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China)

Abstract: Making the medium-sized group of RoboCup soccer robot as experimental platform， an implementation of the omni-directional mobile robot motion control system based on FPGA is provided. In order to achieve precise control of the robot， the kinematics characteristics of the omni-directional robot with three orthogonal-wheels is analyzed and studied， the robot motion control model is built， and the speed closed-loop PID control algorithm using FPGA as its main processor is designed. It is found that the design method of theFPGA-based omni-directional mobile robot motion control system has good real-time performance， and can control the omni-directional mobile robot rapidly and accurately.

Keywords: RoboCup; omni-directional mobile robot; FPGA; PID

0 引 言

目前，全方位移動(dòng)機(jī)器人由于具有出色的靈活性，已經(jīng)成為RoboCup中型組足球機(jī)器人比賽中最理想的選擇。而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制一直以來都是直接影響機(jī)器人性能的主要因素，也是移動(dòng)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一[1]。本文研究了一種用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)三輪全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法，與雙DSP結(jié)構(gòu)[2]，DSP+CPLD結(jié)構(gòu)[3]，以及DSP+專用集成電路結(jié)構(gòu)等相比，該方法具有簡(jiǎn)單可靠，擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。且FPGA設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，開發(fā)周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的SOPC系統(tǒng)。

1 全方位移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

設(shè)世界坐標(biāo)系下機(jī)器人的速度為ε=[vx，vy，]，則當(dāng)vx=0，vy≠0，=0時(shí)，機(jī)器人做前后方向的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)vx≠0，vy=0，=0時(shí)，機(jī)器人做左右方向的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)vx=0，vy=0，≠0時(shí)，機(jī)器人做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1中，ω1，ω2，ω3為3個(gè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，R為全向輪半徑;L1，L2，L3為機(jī)器人車體中心到3組全向輪中心的水平距離，設(shè)有L1=L2=L3=L。α為前兩輪之間的夾角，另外2個(gè)夾角均為180°-α/2。則機(jī)器人坐標(biāo)系下的速度到三輪速度之間的關(guān)系如下[4]:

ω1

ω2

ω3=1Rcos(α/2)sin(α/2)L

-10L

cos(α/2)-sin(α/2)Lvxvyω

(1)

由式(1)可以看到:知道了機(jī)器人在平面世界坐標(biāo)系中的速度要求后，便可以得到主動(dòng)輪的速度要求，進(jìn)而對(duì)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。……