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系統識別號 U0002-2708200705360700
中文論文名稱 以FPGA設計兩輪自主機器人之行為式控制系統
英文論文名稱 Behavior-based Control System Design in FPGA for a Two-wheeled Autonomous Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 陳俊隆
研究生英文姓名 Chun-Lung Chen
學號 694340463
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-19
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-黃宜正
委員-楊智旭
委員-鄭智湧
委員-王榮爵
中文關鍵字 FPGA  VHDL 
英文關鍵字 FPGA  VHDL 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究利用上層PC-based的視覺處理、中層FPGA-based的運動控制器與底層的馬達驅動電路完成兩輪自主機器人系統。馬達驅動電路提供轉速與電流信號並回授至中層控制器處理,而中層包含兩個運動控制器,分別由系統能量穩定與單位質量控制的概念,使用Lyapunov直接方法與逆動力學控制來設計兩種機器人的運動控制器。利用這兩種控制器的特性,規劃兩輪自主機器人的行為式控制。運動控制器的功能模組是利用VHDL實現在FPGA晶片上,功能模組包含串列傳輸、位置解碼、扭力解碼、轉速回授控制、電流回授控制與PWM訊號產生等模組。最後,利用PC-based整合三層系統,並將整合的系統應用在兩輪自主機器人上完成不同的行為式控制。
英文摘要 In this research, we develop a two-wheeled autonomous robot system, which is composed of an upper-level PC-based vision processor, a middle-level FPGA-based motion controller, and a lower-level motor drive circuit. This motor drive circuit provides velocity and current feedback signals which are fed back to middle-level controller. In the middle-level, two robot motion controllers are deduced from the concepts of the system stability and the unit-mass control using Lyapunov’s direct method and inverse dynamics control, respectively. These two motion controllers are utilized to develop the behaviors for the autonomous robot. All the function modules of the motion controllers are devised with VHDL on the FPGA chip, including the modules of controller design, UART, position decoder, torques decoder, velocity feedback control, current feedback control, and PWM modules. The information of three-level processors is integrated in the PC-based processor and the integrated system is expected to perform different types of behavior on the two-wheeled autonomous robots.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅴ
表目錄 Ⅹ
符號說明 XI
第一章 序論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻探討 1
1.2.1 FPGA數位控制系統 1
1.2.2 兩輪機器人系統 2
1.3 研究範圍 2
1.4 論文架構 2
第二章 非完整拘束動態系統 4
2.1 運動拘束條件 4
2.2 機器人動態方程式 7
2.3 兩輪機器人動態方程式 8
2.4 馬達扭力與轉速 11
第三章 兩輪機器人運動控制器設計 13
3.1 Lyapunov控制器設計 13
3.2 逆動力學控制器設計 16
3.3 機器人行為式控制 20
第四章 兩輪機器人驅動設計 23
4.1 直流馬達轉速控制 23
4.2 開迴路馬達轉速控制 25
4.3 馬達電流PI控制 25
4.4 馬達轉速前饋控制與轉速PI控制 26
4.5 馬達轉速前饋控制、轉速PI控制與電流PI控制 27
第五章 機器人全方位影像還原與系統架構 28
5.1 系統架構與機器人本體 28
5.2 全方位視覺系統 29
5.2.1 影像廣角效應校正 30
5.2.2 機器人自我定位 32
5.3 Altera Stratix EP1S10 SOPC 33
5.4 馬達驅動晶片 34
5.5 馬達驅動電路 36
5.6 直流馬達 36
5.7 電流迴授電路 37
第六章 FPGA控制器功能模組設計 38
6.1 串列傳輸模組 39
6.2 解碼模組 40
6.2.1 位置解碼模組 40
6.2.2 扭力解碼模組 43
6.3 運動控制器模組 45
6.3.1 數值運算系統介紹 45
6.3.2 控制器選擇模組 46
6.3.3 Lyapunov控制器模組 47
6.3.4 逆動力學控制器模組 51
6.4 轉速控制模組 56
6.4.1 轉速前饋控制與轉速PI控制模組 56
6.4.2 轉速回授解碼器模組 58
6.5 電流PI控制模組 60
6.6 PWM功能模組 62
6.7功能模組整合 63
第七章 機器人實測與結果分析 65
7.1 轉速前饋與PI控制模組Ki、Kp係數調整 65
7.2 電流PI控制模組Ki、Kp係數調整 67
7.3 機器人角度控制實測 68
7.4 機器人移至球後實測 71
7.5 機器人推球進球門實測 74
第八章 結果討論與未來研究方向 75
8.1 結果討論 75
8.2 未來研究方向 76
參考文獻 77
附錄A 馬達驅動模式推導 80
附錄B 非完整性拘束機器人參數 83
附錄C 直流伺服馬達 84
附錄D 減速齒輪 86

圖目錄
圖2.1機器人基本架構座標圖 4
圖2.2機器人輪子速度幾何關係 7
圖2.3機器人自由體圖 10
圖2.4機器人系統方塊圖 10
圖2.5驅動輪的作用力 12
圖2.6馬達驅動兩輪機器人 12
圖3.1 Lyapunov控制方塊圖 14
圖3.2 Lyapunov三軸步階響應與目標位置曲線 15
圖3.3機器人在xy平面上移動軌跡 15
圖3.4兩輪機器人 18
圖3.5兩輪機器人逆動力學控制 18
圖3.6三軸步階響應與目標位置曲線 19
圖3.7機器人在xy平面上移動軌跡 19
圖3.8足球場中機器人行為示意 20
圖3.9球在機器人前方區域路徑規劃 21
圖3.10機器人攻擊路徑規劃圖 22
圖4.1直流馬達機電轉換 24
圖4.2驅動輪動力關係圖 24
圖4.3電壓控制型馬達驅動器方塊圖 24
圖4.4具備開迴路馬達轉速控制的機器人運動控制 25
圖4.5電流控制型馬達驅動器方塊圖 25
圖4.6馬達具備電流PI控制的機器人運動控制 26
圖4.7轉速前饋與PI控制器方塊圖 26
圖4.8馬達具備轉速前饋與轉速PI控制的機器人運動控制 26
圖4.9馬達具備轉速前饋控制、轉速PI控制與電流PI控制的機器人運動控制 27
圖4.10反積分終結機制PID控制器 27
圖5.1兩輪機器人系統架構圖 28
圖5.2兩輪機器人本體外觀 29
圖5.3全方位攝影機 30
圖5.4雙曲面鏡 30
圖5.5 QuickCam Pro 4000 30
圖5.6由攝影機上取得的實際影像 30
圖5.7實際圓形定位標記分佈位置 31
圖5.8影像圓形定位標記正前方分佈位置 31
圖5.9機器人實際位置圖 32
圖5.10 Altera Stratix EP1S10實驗板外觀 34
圖5.11內部結構圖 35
圖5.12 LMD18200接腳說明 35
圖5.13驅動電路外觀 36
圖5.14編碼器外觀、尺寸與接線圖 37
圖5.15 ADC電路外觀 37
圖6.1兩輪自主機器人控制器硬體架構 38
圖6.2串列傳輸模組電路方塊圖 39
圖6.3串列資料接收方式 39
圖6.4串列傳輸模組整合電路方塊圖 39
圖6.5串列傳輸模組功能模擬 40
圖6.6位置解碼模組電路方塊圖 41
圖6.7位置解碼模組功能模擬 42
圖6.8扭力解碼模組電路方塊圖 43
圖6.9扭力解碼模組整合電路方塊圖 43
圖6.10扭力解碼模組功能模擬 44
圖6.11 LPM_MULT Megafunction(乘法器)規劃界面 46
圖6.12控制器選擇模組電路方塊圖 46
圖6.13控制器選擇模組功能模擬 47
圖6.14 (a)相關參數電路方塊圖 49
圖6.14 (b)相關參數電路方塊圖 49
圖6.14 (c)相關參數電路方塊圖 49
圖6.15式(6.1)電路方塊圖 49
圖6.16式(6.1)電路方塊圖 49
圖6.17式(6.2)電路方塊圖 49
圖6.18 Lyapunov控制器模組整合電路方塊圖 49
圖6.19 Lyapunov控制器模組功能模擬 50
圖6.20 (a)相關參數電路方塊圖 52
圖6.20 (b)相關參數電路方塊圖 52
圖6.20 (c)相關參數電路方塊圖 52
圖6.20 (d)相關參數電路方塊圖 52
圖6.21 (a)相關參數電路方塊圖 52
圖6.21 (b)相關參數電路方塊圖 52
圖6.21 (c)相關參數電路方塊圖 52
圖6.21 (d)相關參數電路方塊圖 52
圖6.22 (a)相關參數電路方塊圖 53
圖6.22 (b)相關參數電路方塊圖 53
圖6.22 (c)相關參數電路方塊圖 53
圖6.22 (d)相關參數電路方塊圖 53
圖6.23 式(6.3)電路方塊圖 53
圖6.24 (a)式(6.4)電路方塊圖 54
圖6.24 (b)式(6.4)電路方塊圖 54
圖6.24 (c)式(6.4)電路方塊圖 54
圖6.24 (d)式(6.4)電路方塊圖 54
圖6.24 (e)式(6.4)電路方塊圖 54
圖6.25逆動力學控制器模組整合電路方塊圖 55
圖6.26逆動力學控制器模組功能模擬 56
圖6.27轉速前饋控制與轉速PI控制模組硬體架構 57
圖6.28轉速前饋控制與轉速PI控制模組電路方塊圖 57
圖6.29轉速前饋控制與轉速PI控制模組整合電路方塊圖 58
圖6.30轉速控制模組功能模擬 58
圖6.31速度回授解碼器模組電路方塊圖 59
圖6.32速度回授解碼器模組整合電路方塊圖 59
圖6.33電流PI控制模組硬體架構 60
圖6.34電流PI控制模組電路方塊圖 61
圖6.35電流PI控制模組整合電路方塊圖 61
圖6.36電流控制模組功能模擬 62
圖6.37 PWM模組電路方塊圖 62
圖6.38 PWM模組整合電路方塊圖 62
圖6.39 PWM波形產生方式(下數計數器) 63
圖6.40 PWM模組功能模擬 63
圖6.41整合電路方塊圖 64
圖7.1轉速控制Kp參數調整 66
圖7.2轉速控制Ki參數調整 66
圖7.3電流控制Kp參數調整 67
圖7.4電流控制Ki參數調整 68
圖7.5機器人、球門與球相對位置圖 69
圖7.6 Lyapunov控制器對 軸的步階響應 69
圖7.7機器人在場地上的旋轉測試圖 70
圖7.8實測機器人在場地上的旋轉方向 70
圖7.9 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 71
圖7.10 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 72
圖7.11 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 72
圖7.12實測機器人在場上追蹤球球的路徑 73
圖7.13機器人實際移動的軌跡示意圖 73
圖7.14實測機器人在場上追蹤球球的路徑 74
圖7.15機器人實際移動的軌跡示意圖 74
圖C.1馬達外觀 84
圖C.2馬達尺寸(mm) 84
圖C.3馬達特性曲線圖 85
圖D.1減數齒輪外觀 86
圖D.2尺寸介紹(mm) 86

表目錄
表5.1 Stratix EP1S10C6規格表 33
表5.2馬達規格 37
表6.1串列傳輸模組腳位功能說明 40
表6.2命令格式 41
表6.3位置解碼模組腳位功能說明 42
表6.4扭力解碼模組腳位功能說明 44
表6.5控制器選擇模組腳位功能說明 47
表6.6 Lyapunov控制器模組腳位功能說明 50
表6.7逆動力學控制器模組腳位功能說明 55
表6.8轉速前饋控制與轉速PI控制模組腳位功能說明 58
表6.9速度回授解碼器模組腳位功能說明 59
表6.10電流PI控制模組腳位功能說明 61
表6.11 PWM模組腳位功能說明 63
表B.1兩輪自主機器人系統參數 83
表C.1直流伺服馬達規格 84
表C.2馬達特性表 85
表D.1一般規格介紹 86

參考文獻 參考文獻
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