基于FPGA的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)

　　機(jī)器人行走控制器是控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一部分。機(jī)器人要準(zhǔn)確地走到設(shè)定的位置，才能執(zhí)行后面的抓舉和卸下物品的任務(wù)。機(jī)器人在地面上的移動(dòng)方式為三車(chē)輪移動(dòng)方式，即采用前輪輔助后輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)配置方式。這種配置是前輪的萬(wàn)向輪為隨動(dòng)輪，僅僅起到支撐車(chē)體的作用，無(wú)任何導(dǎo)向作用；而后輪則分別為兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪,利用它們的轉(zhuǎn)速差控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。這種組合的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，而且當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，車(chē)體只能繞兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，易于定位。

機(jī)器手控制器的作用是當(dāng)機(jī)器人行走到了指定位置(物品放置位置)時(shí)，能夠成功地抓起或放下物品，主要是手臂的抓、放、提升、下降等功能。

本搬運(yùn)機(jī)器人使用四個(gè)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是在一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)或者在相反的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn), 運(yùn)動(dòng)連續(xù)且平滑。目前，直流電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到很大的力矩／重量比，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有高精度、加速迅速以及可靠性高的特點(diǎn)。

2 機(jī)器人行走控制器

機(jī)器人行走控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿尋跡線前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等行走功能。行走控制器原理圖如圖2所示。

行走控制器由計(jì)數(shù)模塊(COUNTER)、行走驅(qū)動(dòng)模塊(QUDONG)、指令模塊(JSKZ)和狀態(tài)控制模塊(CONTROL)組成。

2.1 計(jì)數(shù)模塊

計(jì)數(shù)模塊是機(jī)器人的“記憶”系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地“告訴”機(jī)器人自己所處的位置。計(jì)數(shù)模塊準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)器人行走的格數(shù)及光電碼盤(pán)檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)輪脈沖數(shù)。當(dāng)機(jī)器人走過(guò)一格時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)一次計(jì)數(shù)。但是當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)有一個(gè)計(jì)數(shù)誤差(根據(jù)計(jì)數(shù)探頭的安裝位置而定)。為了避免產(chǎn)生誤差，當(dāng)行走指令模塊發(fā)出轉(zhuǎn)彎命令時(shí)，計(jì)數(shù)模塊將停止計(jì)數(shù)，保持以前的計(jì)數(shù)值。這樣將保證計(jì)數(shù)的可靠性。

圖中b為計(jì)數(shù)模塊的輸入信號(hào)。當(dāng)b有一個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)模塊計(jì)一次數(shù)；clr為計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)(低電平效)。輸入端updown接收由指令模塊發(fā)出的指令(前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn))，當(dāng)updown=“11”(前進(jìn))或“00”(后退)時(shí)，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)，最多可以計(jì)數(shù)到31(從0開(kāi)始); updown=“01”( 右轉(zhuǎn))或“10”(左轉(zhuǎn))時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值保持。counter為計(jì)數(shù)模塊輸出信號(hào)，在此暫設(shè)為五位二進(jìn)制數(shù)。

2.2 指令模塊

行走指令模塊的功能是按照貨物搬運(yùn)行走路徑的要求，為機(jī)器人設(shè)置行走方式。計(jì)數(shù)模塊輸出的計(jì)數(shù)值作為指令模塊發(fā)出行走指令的依據(jù)，通過(guò)設(shè)定指令模塊可確定機(jī)器人的行走方式。機(jī)器人行走的每一步，都可以通過(guò)這個(gè)模塊設(shè)定它的行走模式，這極大地方便了對(duì)機(jī)器人路徑的修改和重新設(shè)置。要設(shè)定新的機(jī)器人行走路線時(shí)，直接更改這個(gè)模塊便可以實(shí)現(xiàn)。圖中輸入counter[]為計(jì)數(shù)模塊輸入的計(jì)數(shù)信號(hào)，它被作為指令模塊發(fā)出行走指令的重要依據(jù)。輸出lrd[]為指令模塊發(fā)出的行走指令，發(fā)送給狀態(tài)控制模塊。lrd為“00”時(shí)機(jī)器人后退；lrd為“01” 時(shí)機(jī)器人右轉(zhuǎn)；lrd為“10” 時(shí)機(jī)器人左轉(zhuǎn)；lrd為“11” 時(shí)機(jī)器人前進(jìn)。

2.3 狀態(tài)控制模塊

狀態(tài)控制模塊的功能用來(lái)控制機(jī)器人順利進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。該模塊采用有限狀態(tài)機(jī)的描述方式和硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖中輸入信號(hào)a1、a2為機(jī)器人前進(jìn)方向的紅外探頭檢測(cè)信號(hào)，用于檢測(cè)機(jī)器人的尋線和轉(zhuǎn)彎是否到位；clr為控制器復(fù)位信號(hào)；clkb為狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)；tmp[]為指令模塊發(fā)出的指令信號(hào)，tmp[]=“11”時(shí)為直走指令信號(hào)；tmp[]=“01” 時(shí)為右轉(zhuǎn)指令信號(hào)；tmp[]=“10”時(shí)為左轉(zhuǎn)指令信號(hào)；tmp[]=“00”時(shí)為后退指令信號(hào)；輸出信號(hào)updown[]為狀態(tài)控制模塊輸出的機(jī)器人行走指令信號(hào)，最后輸入到行走驅(qū)動(dòng)模塊中。

狀態(tài)控制模塊的狀態(tài)圖如圖3所示。s0狀態(tài)為初始狀態(tài)(直走)，當(dāng)指令模塊發(fā)出右轉(zhuǎn)命令(tmp=“01”)，并且前進(jìn)方向的紅外探頭檢測(cè)到尋跡線(a1=‘1’,a2=‘1’)時(shí)，s0狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到s1(右轉(zhuǎn)狀態(tài))；當(dāng)指令模塊發(fā)出左轉(zhuǎn)命令(tmp=“10”)，并且前進(jìn)方向的紅外探頭檢測(cè)到尋跡線(a1=‘1’,a2=‘1’)時(shí)，s0狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到s2(左轉(zhuǎn)狀態(tài))；當(dāng)指令模塊發(fā)出后退指令(tmp=“00”)時(shí)，s0狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到s6；不符合以上條件的都保持在s0狀態(tài)。

s3為右轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)前進(jìn)方向的兩個(gè)紅外探頭已經(jīng)離開(kāi)尋跡線(a1=‘0’,a2=‘0’)，當(dāng)有一個(gè)探頭檢測(cè)到尋跡線時(shí)(即a1或a2有一個(gè)為1時(shí))，s3跳轉(zhuǎn)到s5狀態(tài)(強(qiáng)行直走狀態(tài))；s4為左轉(zhuǎn)狀態(tài)，它的跳轉(zhuǎn)條件與s3一致，滿(mǎn)足條件也是跳轉(zhuǎn)到s5狀態(tài)。

s5為強(qiáng)行直走狀態(tài)，不受指令模塊的控制。當(dāng)沿尋跡線行走一格時(shí)(即b=‘1’)，s5跳轉(zhuǎn)到s0初始狀態(tài)。s6為后退狀態(tài)。

2.4 行走驅(qū)動(dòng)模塊

行走驅(qū)動(dòng)模塊的功能是根據(jù)狀態(tài)控制模塊和指令模塊發(fā)出的行走指令產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制機(jī)器人的尋線及轉(zhuǎn)彎工作。圖中，輸入信號(hào)a1、a2為前進(jìn)尋線紅外檢測(cè)信號(hào)；輸入信號(hào)a3、a4為后退尋線紅外檢測(cè)信號(hào)；clr為復(fù)位信號(hào)；clk為時(shí)鐘信號(hào)；updown為狀態(tài)控制模塊發(fā)出的指令信號(hào)；輸出信號(hào)acount[]為電機(jī)的控制信號(hào)。

該模塊采用有限狀態(tài)機(jī)的描述方式和硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì),保證機(jī)器人能沿著尋跡線實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎的操作。在機(jī)器人沿著尋跡線快速行走過(guò)程中, 由于尋跡線的寬度有限(幾個(gè)厘米)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪存在轉(zhuǎn)速差,使機(jī)器人容易偏離尋跡線行走。為了解決這個(gè)問(wèn)題, 采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì),使該模塊具有“記憶”功能，無(wú)論從哪個(gè)方向完全偏離尋跡線,都能夠返回到尋跡線上，這樣就增加了尋線行走的可靠性。實(shí)際應(yīng)用表明，將有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的行走驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)用在一個(gè)快速行走且慣性較大的機(jī)器人上，機(jī)器人能夠沿著尋跡線呈“S”形行走，始終保持以尋跡線為中心運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)器手控制器

機(jī)器手主要完成升、降、抓緊和放下物品等工作。機(jī)器手控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。主要由手臂指令模塊和手臂執(zhí)行模塊組成。機(jī)器手控制器實(shí)現(xiàn)的控制主要是一個(gè)順序控制的問(wèn)題。當(dāng)手臂指令模塊發(fā)出取物品的命令時(shí)，手臂執(zhí)行模塊將產(chǎn)生取物品的一系列順序信號(hào),驅(qū)動(dòng)手臂電機(jī),完成機(jī)器手取物品的工作。在取物品時(shí),首先將手臂升降到指定位置，夾緊物品并保持；然后將整個(gè)物品提升或下降到位，整個(gè)取物品的操作結(jié)束。機(jī)器手放物品與取物品的工作相似。機(jī)器手必須是在機(jī)器人行走到指定位置時(shí)才能進(jìn)行操作,行走計(jì)數(shù)值和超聲波與光電檢測(cè)信號(hào)為手臂指令模塊提供機(jī)器人行走到位信號(hào)。


3.1 手臂指令模塊

手臂指令模塊與行走部分的行走指令模塊相似。這個(gè)模塊比行走指令模塊只是多了超聲波與光電檢測(cè)信號(hào)。為了提高機(jī)器手的可靠性，采用了雙重檢測(cè)，由行走計(jì)數(shù)值檢測(cè)是否已進(jìn)入物品區(qū)域，并且通過(guò)超聲波與光電信號(hào)檢測(cè)機(jī)器手是否已達(dá)到取放物品的位置。若缺一個(gè)條件，機(jī)器人將不會(huì)發(fā)出取物品或放物品的指令。

3.2 手臂執(zhí)行模塊

手臂執(zhí)行模塊主要是根據(jù)手臂指令模塊發(fā)出的指令,產(chǎn)生一系列輸出信號(hào),驅(qū)動(dòng)手臂電機(jī)。此模塊的設(shè)計(jì)也運(yùn)用了有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，采用的是順序控制的原理?？墒鞘直鄞嬖谝粋€(gè)初始位置的問(wèn)題，例如要取物品時(shí)，它的手臂必須是松開(kāi)的，并且處于某個(gè)初始位置。因此每次取物品時(shí)，都要檢測(cè)是否處在這個(gè)初始位置，若不是，則要先調(diào)整到初始位置，然后按照取物品順序進(jìn)行操作。

手臂執(zhí)行模塊狀態(tài)圖如圖5所示。s0、s1、s2 狀態(tài)為未到位狀態(tài)(初始位置)，需要進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整，跳轉(zhuǎn)到s3狀態(tài)。s3為初始到位狀態(tài)，當(dāng)接收到取物品信號(hào)(ud=“01”)時(shí)，跳轉(zhuǎn)到s4狀態(tài)(抓緊物品)； s5狀態(tài)為提升到位，s8為保持狀態(tài)，最后回到初始位置s3狀態(tài)。s6、s7狀態(tài)為放物品狀態(tài)，與取物品過(guò)程相似。

本搬運(yùn)機(jī)器人除了以上介紹的機(jī)器人行走控制器和機(jī)器手控制器外，還有其它單元電路，如紅外光電檢測(cè)電路、超聲波檢測(cè)電路、光電碼盤(pán)檢測(cè)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。為了隨時(shí)接收上位機(jī)發(fā)出的指令，還需要通訊模塊電路。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可靠地運(yùn)行，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)顯得非常重要。

本設(shè)計(jì)是在QUARTUSII開(kāi)發(fā)工具下對(duì)各功能模塊進(jìn)行仿真分析，保證了FPGA芯片設(shè)計(jì)的成功。FPGA器件采用ALTERA公司的ACEX1K50器件，占用ACEX1K50器件的邏輯單元為43%。由于篇幅有限，各功能模塊用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)的源文件省略。

由于采用有限狀態(tài)機(jī)描述和硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)不僅在運(yùn)行方式上類(lèi)似于單片機(jī)控制器，而且在運(yùn)行速度和工作可靠性方面優(yōu)于單片機(jī)控制器。實(shí)際運(yùn)用表明該控制系統(tǒng)完全滿(mǎn)足要求。