基于FPGA技術(shù)的全方位移動機器人運動控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

0 引言

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

　　1 全方位移動機器人運動模型

　　設(shè)世界坐標(biāo)系下機器人的速度為ε=[vx，vy，φ]，則當(dāng)vx=O，vy≠0，φ=O時，機器人做前后方向的直線運動，當(dāng)vx≠0，vy=0，φ=0時，機器人做左右方向的直線運動，當(dāng)vx=0，vy=0，φ≠0時，機器人做自轉(zhuǎn)運動。圖1中，ω1，ω2，ω3為3個主動輪的轉(zhuǎn)動角速度，R為全向輪半徑;L1，L2，L3為機器人車體中心到3組全向輪中心的水平距離，設(shè)有L1=L2=L3=L。α為前兩輪之間的夾角，另外2個夾角均為180°-α/2。則機器人坐標(biāo)系下的速度到三輪速度之間的關(guān)系如下：

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

　　2運動控制方案本系統(tǒng)總體設(shè)計思路如圖2所示，首先通過RS 232接口，實現(xiàn)PC機與底層控制芯片F(xiàn)PGA的通信，F(xiàn)PGA在接收到相關(guān)的機器人坐標(biāo)系下的速度后，將機器人坐標(biāo)系下的速度值轉(zhuǎn)化成機器人3個全向輪子的角速度，將得到的角速度值計算出相應(yīng)的占空比，生成相應(yīng)占空比的PWM波形，輸出信號接到直流伺服電機驅(qū)動器，然后通過FPGA采集正交編碼盤信號，計算出輪子實際的角速度值，做PID速度閉環(huán)控制。鑒于FPGA模塊復(fù)制的優(yōu)勢，這里對每個全向輪分別做了PID閉環(huán)控制。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　采用的三輪全方位移動機器人系統(tǒng)框圖如圖3所示，上位機主要完成圖像信息的采集、處理、路徑規(guī)劃，并實現(xiàn)與場外裁判盒的通信。下位機主要是FPGA，主要實現(xiàn)三輪編碼信號的采集，PID速度閉環(huán)控制，踢球控制，電機控制信號的產(chǎn)生，還有其他的傳感器信息的采集等，并負(fù)責(zé)與上位機之間的信息交互。本設(shè)計只是完成了下位機運動控制部分。

　　3.1 正交編碼信號采集與測速實現(xiàn)

　　增量式光