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。

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.

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
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