[[alternative]]Behavior-based control system design in FPGA for a two-wheeled autonomous robot

碩士[[abstract]]本研究利用上層PC-based的視覺處理、中層FPGA-based的運動控制器與底層的馬達驅動電路完成兩輪自主機器人系統。馬達驅動電路提供轉速與電流信號並回授至中層控制器處理，而中層包含兩個運動控制器，分別由系統能量穩定與單位質量控制的概念，使用Lyapunov直接方法與逆動力學控制來設計兩種機器人的運動控制器。利用這兩種控制器的特性，規劃兩輪自主機器人的行為式控制。運動控制器的功能模組是利用VHDL實現在FPGA晶片上，功能模組包含串列傳輸、位置解碼、扭力解碼、轉速回授控制、電流回授控制與PWM訊號產生等模組。最後，利用PC-based整合三層系統，並將整合的系統應用在兩輪自主機器人上完成不同的行為式控制。[[abstract]]In this research, we develop a two-wheeled autonomous robot system, which is composed of an upper-level PC-based vision processor, a middle-level FPGA-based motion controller, and a lower-level motor drive circuit. This motor drive circuit provides velocity and current feedback signals which are fed back to middle-level controller. In the middle-level, two robot motion controllers are deduced from the concepts of the system stability and the unit-mass control using Lyapunov’s direct method and inverse dynamics control, respectively. These two motion controllers are utilized to develop the behaviors for the autonomous robot. All the function modules of the motion controllers are devised with VHDL on the FPGA chip, including the modules of controller design, UART, position decoder, torques decoder, velocity feedback control, current feedback control, and PWM modules. The information of three-level processors is integrated in the PC-based processor and the integrated system is expected to perform different types of behavior on the two-wheeled autonomous robots.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 目錄 Ⅲ 圖目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅹ 符號說明 XI 第一章 序論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻探討 1 1.2.1 FPGA數位控制系統 1 1.2.2 兩輪機器人系統 2 1.3 研究範圍 2 1.4 論文架構 2 第二章 非完整拘束動態系統 4 2.1 運動拘束條件 4 2.2 機器人動態方程式 7 2.3 兩輪機器人動態方程式 8 2.4 馬達扭力與轉速 11 第三章 兩輪機器人運動控制器設計 13 3.1 Lyapunov控制器設計 13 3.2 逆動力學控制器設計 16 3.3 機器人行為式控制 20 第四章 兩輪機器人驅動設計 23 4.1 直流馬達轉速控制 23 4.2 開迴路馬達轉速控制 25 4.3 馬達電流PI控制 25 4.4 馬達轉速前饋控制與轉速PI控制 26 4.5 馬達轉速前饋控制、轉速PI控制與電流PI控制 27 第五章 機器人全方位影像還原與系統架構 28 5.1 系統架構與機器人本體 28 5.2 全方位視覺系統 29 5.2.1 影像廣角效應校正 30 5.2.2 機器人自我定位 32 5.3 Altera Stratix EP1S10 SOPC 33 5.4 馬達驅動晶片 34 5.5 馬達驅動電路 36 5.6 直流馬達 36 5.7 電流迴授電路 37 第六章 FPGA控制器功能模組設計 38 6.1 串列傳輸模組 39 6.2 解碼模組 40 6.2.1 位置解碼模組 40 6.2.2 扭力解碼模組 43 6.3 運動控制器模組 45 6.3.1 數值運算系統介紹 45 6.3.2 控制器選擇模組 46 6.3.3 Lyapunov控制器模組 47 6.3.4 逆動力學控制器模組 51 6.4 轉速控制模組 56 6.4.1 轉速前饋控制與轉速PI控制模組 56 6.4.2 轉速回授解碼器模組 58 6.5 電流PI控制模組 60 6.6 PWM功能模組 62 6.7功能模組整合 63 第七章 機器人實測與結果分析 65 7.1 轉速前饋與PI控制模組Ki、Kp係數調整 65 7.2 電流PI控制模組Ki、Kp係數調整 67 7.3 機器人角度控制實測 68 7.4 機器人移至球後實測 71 7.5 機器人推球進球門實測 74 第八章 結果討論與未來研究方向 75 8.1 結果討論 75 8.2 未來研究方向 76 參考文獻 77 附錄A 馬達驅動模式推導 80 附錄B 非完整性拘束機器人參數 83 附錄C 直流伺服馬達 84 附錄D 減速齒輪 86 圖目錄 圖2.1機器人基本架構座標圖 4 圖2.2機器人輪子速度幾何關係 7 圖2.3機器人自由體圖 10 圖2.4機器人系統方塊圖 10 圖2.5驅動輪的作用力 12 圖2.6馬達驅動兩輪機器人 12 圖3.1 Lyapunov控制方塊圖 14 圖3.2 Lyapunov三軸步階響應與目標位置曲線 15 圖3.3機器人在xy平面上移動軌跡 15 圖3.4兩輪機器人 18 圖3.5兩輪機器人逆動力學控制 18 圖3.6三軸步階響應與目標位置曲線 19 圖3.7機器人在xy平面上移動軌跡 19 圖3.8足球場中機器人行為示意 20 圖3.9球在機器人前方區域路徑規劃 21 圖3.10機器人攻擊路徑規劃圖 22 圖4.1直流馬達機電轉換 24 圖4.2驅動輪動力關係圖 24 圖4.3電壓控制型馬達驅動器方塊圖 24 圖4.4具備開迴路馬達轉速控制的機器人運動控制 25 圖4.5電流控制型馬達驅動器方塊圖 25 圖4.6馬達具備電流PI控制的機器人運動控制 26 圖4.7轉速前饋與PI控制器方塊圖 26 圖4.8馬達具備轉速前饋與轉速PI控制的機器人運動控制 26 圖4.9馬達具備轉速前饋控制、轉速PI控制與電流PI控制的機器人運動控制 27 圖4.10反積分終結機制PID控制器 27 圖5.1兩輪機器人系統架構圖 28 圖5.2兩輪機器人本體外觀 29 圖5.3全方位攝影機 30 圖5.4雙曲面鏡 30 圖5.5 QuickCam Pro 4000 30 圖5.6由攝影機上取得的實際影像 30 圖5.7實際圓形定位標記分佈位置 31 圖5.8影像圓形定位標記正前方分佈位置 31 圖5.9機器人實際位置圖 32 圖5.10 Altera Stratix EP1S10實驗板外觀 34 圖5.11內部結構圖 35 圖5.12 LMD18200接腳說明 35 圖5.13驅動電路外觀 36 圖5.14編碼器外觀、尺寸與接線圖 37 圖5.15 ADC電路外觀 37 圖6.1兩輪自主機器人控制器硬體架構 38 圖6.2串列傳輸模組電路方塊圖 39 圖6.3串列資料接收方式 39 圖6.4串列傳輸模組整合電路方塊圖 39 圖6.5串列傳輸模組功能模擬 40 圖6.6位置解碼模組電路方塊圖 41 圖6.7位置解碼模組功能模擬 42 圖6.8扭力解碼模組電路方塊圖 43 圖6.9扭力解碼模組整合電路方塊圖 43 圖6.10扭力解碼模組功能模擬 44 圖6.11 LPM_MULT Megafunction(乘法器)規劃界面 46 圖6.12控制器選擇模組電路方塊圖 46 圖6.13控制器選擇模組功能模擬 47 圖6.14 (a)相關參數電路方塊圖 49 圖6.14 (b)相關參數電路方塊圖 49 圖6.14 (c)相關參數電路方塊圖 49 圖6.15式(6.1)電路方塊圖 49 圖6.16式(6.1)電路方塊圖 49 圖6.17式(6.2)電路方塊圖 49 圖6.18 Lyapunov控制器模組整合電路方塊圖 49 圖6.19 Lyapunov控制器模組功能模擬 50 圖6.20 (a)相關參數電路方塊圖 52 圖6.20 (b)相關參數電路方塊圖 52 圖6.20 (c)相關參數電路方塊圖 52 圖6.20 (d)相關參數電路方塊圖 52 圖6.21 (a)相關參數電路方塊圖 52 圖6.21 (b)相關參數電路方塊圖 52 圖6.21 (c)相關參數電路方塊圖 52 圖6.21 (d)相關參數電路方塊圖 52 圖6.22 (a)相關參數電路方塊圖 53 圖6.22 (b)相關參數電路方塊圖 53 圖6.22 (c)相關參數電路方塊圖 53 圖6.22 (d)相關參數電路方塊圖 53 圖6.23 式(6.3)電路方塊圖 53 圖6.24 (a)式(6.4)電路方塊圖 54 圖6.24 (b)式(6.4)電路方塊圖 54 圖6.24 (c)式(6.4)電路方塊圖 54 圖6.24 (d)式(6.4)電路方塊圖 54 圖6.24 (e)式(6.4)電路方塊圖 54 圖6.25逆動力學控制器模組整合電路方塊圖 55 圖6.26逆動力學控制器模組功能模擬 56 圖6.27轉速前饋控制與轉速PI控制模組硬體架構 57 圖6.28轉速前饋控制與轉速PI控制模組電路方塊圖 57 圖6.29轉速前饋控制與轉速PI控制模組整合電路方塊圖 58 圖6.30轉速控制模組功能模擬 58 圖6.31速度回授解碼器模組電路方塊圖 59 圖6.32速度回授解碼器模組整合電路方塊圖 59 圖6.33電流PI控制模組硬體架構 60 圖6.34電流PI控制模組電路方塊圖 61 圖6.35電流PI控制模組整合電路方塊圖 61 圖6.36電流控制模組功能模擬 62 圖6.37 PWM模組電路方塊圖 62 圖6.38 PWM模組整合電路方塊圖 62 圖6.39 PWM波形產生方式（下數計數器） 63 圖6.40 PWM模組功能模擬 63 圖6.41整合電路方塊圖 64 圖7.1轉速控制Kp參數調整 66 圖7.2轉速控制Ki參數調整 66 圖7.3電流控制Kp參數調整 67 圖7.4電流控制Ki參數調整 68 圖7.5機器人、球門與球相對位置圖 69 圖7.6 Lyapunov控制器對 軸的步階響應 69 圖7.7機器人在場地上的旋轉測試圖 70 圖7.8實測機器人在場地上的旋轉方向 70 圖7.9 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 71 圖7.10 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 72 圖7.11 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應 72 圖7.12實測機器人在場上追蹤球球的路徑 73 圖7.13機器人實際移動的軌跡示意圖 73 圖7.14實測機器人在場上追蹤球球的路徑 74 圖7.15機器人實際移動的軌跡示意圖 74 圖C.1馬達外觀 84 圖C.2馬達尺寸(mm) 84 圖C.3馬達特性曲線圖 85 圖D.1減數齒輪外觀 86 圖D.2尺寸介紹(mm) 86 表目錄 表5.1 Stratix EP1S10C6規格表 33 表5.2馬達規格 37 表6.1串列傳輸模組腳位功能說明 40 表6.2命令格式 41 表6.3位置解碼模組腳位功能說明 42 表6.4扭力解碼模組腳位功能說明 44 表6.5控制器選擇模組腳位功能說明 47 表6.6 Lyapunov控制器模組腳位功能說明 50 表6.7逆動力學控制器模組腳位功能說明 55 表6.8轉速前饋控制與轉速PI控制模組腳位功能說明 58 表6.9速度回授解碼器模組腳位功能說明 59 表6.10電流PI控制模組腳位功能說明 61 表6.11 PWM模組腳位功能說明 63 表B.1兩輪自主機器人系統參數 83 表C.1直流伺服馬達規格 84 表C.2馬達特性表 85 表D.1一般規格介紹 86[[note]]學號: 694340463, 學年度: 9