FPGA的机器人设计系统

本科毕业设计(论文)题目:基于FPGA的六足仿生机器人控制系统设计姓名:李国超学院:机械电子工程学院专业:测控技术与仪器班级:1003071学号:100307110指导教师:姜树海职称:副教授二○一4年5月15日摘要六足仿生机器人因其很好的复杂地形适应能力，被越来越多的运用在野外侦查、救灾抢险中。由于六足仿生机器人在这方面的出色表现，科研人员们对六足机器人的研究也越来多。本课题将多足昆虫的行为学研究成果，融入到六足仿生机器人的设计与控制中，开发能在复杂自然环境中灵活运动的六足仿生机器人,对执行野外侦查、减灾救援等具有重大现实意义，对仿生机器人的发展具有重要的实际意义[1]。六足仿生机器人嵌入式控制系统包括两个部分，第一部分是在NiosII处理器内以软件方式实现，采用C语言编写应用程序，主要功能是实现机器人直行、转弯。第二部分是在FPGA芯片内完成系统复位，串口收发等模块的实现，以及NiosII的例化和周边I/O信号读取与输出。硬件实现计算简单且计算速度较快，有多组并行处理的能力。采用VerilogHDL硬件描述语言实现硬件代码的编写。论文以Bioloid公司生产的智能伺服舵机AX-12组成六足机器人架构，利用内嵌NiosII处理器的FPGA控制实现机器人完成各种动作。研究采用QuartusII软件实现设计输入和硬件配置，使用QuartusII中的SOPCBuiler构架SOPC系统，实现了NiosII处理器核、SDRAM控制器、EPCS控制器、PLL、232UART等的配置。六足仿生机器人的软件开发过程是利用软件开发工具NiosII9.1SoftwareBuildToolsforEclipse（简称EDS），对硬件系统中组件的驱动及应用程序进行设计。[1]鉴于课题的前期工作基础，设计实现了六足仿生机器人嵌入式控制系统，并进行了整机测试，测试结果表明：机器人实现单舵机灵活控制和多舵机协调控制，机器人行走平稳，达到预期要求。关键词：六足；仿生机器人；控制；FPGA；SOPCResearchonEmbeddedControlSystemforHexapodBionicRobotBasedonFPGAAbstractMoreandmorehexapodbionicrobotisapplytofieldinvestigation,mitigationrescuewiththegoodabilityofadaptationtocomplexterrain.Becauseofthegoodbehaveofhexapodbionicrobotinthisfield,moreandmoreresearchspecialiststaffbegaintoresearchonhexapodbionicrobot.Somakethemyriapodinsectbehaviorstudiesresultsintorobotdesignandcontrol,developmenthexapodbionicrobotflexiblemovementincomplexnaturalenvironmenttoimplementationoffieldinvestigation,mitigationrescueisgreatpracticalsignificanceandimportantpracticalsignificancetodevelopmentofbionicrobot.Onthebasisofdetailedanalysishexapodbionicrobotcontrolsystemresearchstatus,DesignhexapodrobotembeddedcontrolsystemBasedonSOPC(systemintegratedchip)servocontroltechnologydevelopmentenvironment,usingFPGAembeddedNiosIIprocessor.TheFPGAcontrolchipproducedbyAlteraCycloneIIEP2C8Q,anduseSF-NiosIIcontrolpanelbasedonthischipasrobotcontroller.Hexapodbionicrobotembeddedcontrolsystemconsistsoftwoparts.Inthefirstpart,UsingClanguageImplementatefunctionsinNiosIIprocessor,themainfunctionistorealizethetrajectoryplanningofrobottogostraight,turn,obstacleavoidanceandtemperaturedetectionandstorageandsoon.Thesecondpartincludingcompletesystemreset,serialtransceivermodule,andTheNiosIIinstantiatedandperipheralI/OsignalreadandoutputintheFPGAchip.Thehardwareimplementationissimpleandcalculationspeedisfast,andhaveapluralityofparallelprocessingcapabilities.HardwaredescriptionlanguagebasedonVerilogHDL.BasedonBioloidcompanyproductionofintelligentservosteeringgearofAX-12six-leggedrobotarchitecture,usingNiosIIembeddedprocessorinFPGAtocompletevariousactions.HardwareconfigurationrealizedbyusingtheQuartusIIsoftware,andusetheQuartusIISOPCBuilerframeworkofSOPCsystem,realizedtheconfigurationofTheNiosIIprocessor,SDRAMcontroller,EPCScontroller,PLL,232UART,andsoon.ThesoftwaredevelopmentprocessofHexapodbionicrobotiswritinghardwaredriversandapplicationprogramwithEclipse(EDS)andNiosII9.1Software.Giventopicpreliminarybasiswork,thedesignhasrealizedthehexapodbionicrobotembeddedcontrolsystem,andthewholeexperiment.Theexperimentalresultsshowthattherobottoachievesingleflexiblecontrolofthesteeringgearandcoordinatedcontrolwithservalservos,obstacleavoidanceanddetectionoftheexternalenvironment,steadywalk,thedesignrechievedtheexpectedrequirements.Keywords:Hexapod;bionicrobot;control;FPGA;SOPC目录第一章绪论.............................................-1-1.1课题来源及背景..................................................-1-1.2课题的研究目的及意义............................................-1-1.3国内外六足仿生机器人控制系统研究现状............................-1-1.4课题研究内容和主要工作..........................................-2-1.5小结...........................................................-2-第二章六足仿生机器人控制系统总体设计.....................-3-2.1引言...........................................................-3-2.2六足仿生机器人结构.............................................-3-2.3机器人步态产生..................................................-4-2.4六足仿生机器人舵机选择.........................................-4-2.5AX-12舵机介绍..................................................-4-2.5.1AX-12数字舵机概述及特性.....................................-4-2.5.2AX-12舵机通信协议...........................................-5-2.6六足仿生机器人控制系统.........................................-6-2.7嵌入式控制系统硬件选择.........................................-7-2.8嵌入式控制系统软件选择.........................................-8-2.9小结...........................................................-8-第3章嵌入式控制系统硬件设计...........................-9-3.1引言...........................................................-9-3.2六足仿生机器人嵌入式控制系统硬件结构...........................-9-3.3FPGA开发板结构和外围接口资源..................................-10-3.3.1睿智FPGA开发板硬件资源....................................-10-3.3.2设计用到的板载接口资源电路..................................-11-3.4建立QuartusII工程..........................................-14-3.5SOPC设计......................................................-14-3.5.1SDRAM控制器配置............................................-15-3.5.2建立EPCS模块...............................................-15-3.5.3构建CPU模块................................................-15-3.5.4232UART、PLL及JTAGUART配置................................-1