基于FPGA的六足仿生机器人嵌入式控制系统研究

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随着人类探索自然界步伐的不断加速,各应用领域对在复杂环境中能自主移动机器人的需求日益增长。自然界中多足昆虫能够轻易地穿越各种复杂的地形,甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此,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。论文在详细分析了六足仿生机器人控制系统研究现状的基础上,基于SOPC(系统整合型芯片)伺服控制技术的开发环境,利用内嵌Nios II处理器的FPGA设计六足仿生机器人嵌入式控制系统。FPGA控制芯片采用Altera公司生产的Cyclone II EP2C8Q,并采用以此芯片为基础设计的SF-NIOS II控制板实现机器人控制器。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Nios II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、避障的轨迹规划及温度检测和存储。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Nios II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Verilog HDL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Nios II处理器的FPGA控制实现机器人完成各种动作。研究采用Quartus II软件实现设计输入和硬件配置,使用Quartus II中的SOPC Builer构架SOPC系统,实现了Nios II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Nios II9.1Software Build Tools for Eclipse(简称EDS),对硬件系统中组件的驱动及应用程序进行设计。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,能顺利避障和检测外界环境,机器人行走平稳,达到预期要求。
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