中型組機器人運動控制系統的FPGA設計

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技術實現三輪全方位移動機器人運動控制系統的方法，與雙DSP結構，DSP+CPLD結構，以及DSP+專用集成電路結構等相比，該方法具有簡單可靠，擴展性強等特點。且FPGA設計簡單，使用方便，開發周期短，能夠實現真正的SOPC系統。

1 全方位移動機器人運動模型
設世界坐標系下機器人的速度為ε=[vx，vy，φ]，則當vx=O，vy≠0，φ=O時，機器人做前后方向的直線運動，當vx≠0，vy=0，φ=0時，機器人做左右方向的直線運動，當vx=0，vy=0，φ≠0時，機器人做自轉運動。圖1中，ω1，ω2，ω3為3個主動輪的轉動角速度，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。則機器人坐標系下的速度到三輪速度之間的關系如下：

由式(1)可以看到：知道了機器人在平面世界坐標系中的速度要求后，便可以得到主動輪的速度要求，進而對電機發出相應的控制信號。
2運動控制方案本系統總體設計思路如圖2所示，首先通過RS 232接口，實現PC機與底層控制芯片FPGA的通信，FPGA在接收到相關的機器人坐標系下的速度后，將機器人坐標系下的速度值轉化成機器人3個全向輪子的角速度，將得到的角速度值計算出相應的占空比，生成相應占空比的PWM波形，輸出信號接到直流伺服電機驅動器，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速度閉環控制。鑒于FPGA模塊復制的優勢，這里對每個全向輪分別做了PID閉環控制。

3 系統硬件設計
采用的三輪全方位移動機器人系統框圖如圖3所示，上位機主要完成圖像信息的采集、處理、路徑規劃，并實現與場外裁判盒的通信。下位機主要是FPGA，主要實現三輪編碼信號的采集，PID速度閉環控制，踢球控制，電機控制信號的產生，還有其他的傳感器信息的采集等，并負責與上位機之間的信息交互。本設計只是完成了下位機運動控制部分。