芋FPGA的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人的研究領(lǐng)域以及應(yīng)用范圍都在不斷地拓展。人們需要移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)。因此，移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航技術(shù)成為了機(jī)器人智能化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)一套體積小、功耗低、可靠性高的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)具有一定的工程意義，并且有一定的市場(chǎng)前景。
　　 此外，F(xiàn)PGA技術(shù)作為一種先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)解決方案，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想，在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)

2、航系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。本文以自行設(shè)計(jì)制作的四輪差動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)。主要內(nèi)容如下：
　　 首先，研究了里程計(jì)、GPS、地磁、加速度計(jì)等導(dǎo)航傳感器的優(yōu)勢(shì)與不足，并分析了各傳感器的工作原理；建立了四輪差動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和二維、三維坐標(biāo)系下的姿態(tài)輸出方程；闡述了FPGA技術(shù)的工作原理、設(shè)計(jì)思想和操作流程；給出了基于FPGA的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)總體方案。

3、　　 設(shè)計(jì)了四輪差動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際需求，選擇基于EP2C35系列FPGA芯片的DE2 Board作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，選擇了MSP430F449作為測(cè)距處理芯片，完成了導(dǎo)航單元、避障單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的電路設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)使用模塊化結(jié)構(gòu)，通過接口板進(jìn)行連接。為了便于系統(tǒng)調(diào)試和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還設(shè)計(jì)了無線通信模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。
　　 接下來，完成了建立于FPGA之上的SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括定制NIOSⅡ嵌入式軟核處理器，

4、添加自定制的PWM核。為了減少系統(tǒng)的硬件開銷，利用硬件描述語言編寫了光電編碼器數(shù)據(jù)接收模塊和GPS報(bào)文接收模塊。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度，研究了單浮點(diǎn)精度運(yùn)算的基本原理，實(shí)現(xiàn)了單浮點(diǎn)精度矩陣運(yùn)算指令在FPGA中的固化。
　　 最后，給出了各導(dǎo)航傳感器的誤差模型，設(shè)計(jì)了里程計(jì)/GPS/地磁傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的卡爾曼濾波器，給出了移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜路面下的航跡推測(cè)算法。編寫了采集里程計(jì)信息、多點(diǎn)測(cè)量法求地磁航向角、GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、障礙物