[[alternative]]Fuzzy speed controller design for omni-directional mobile robot

碩士[[abstract]]本論文主要針對具有四個全方位輪之全方位移動機器人( Fuzzy Speed Controller Design for Omni-directional Mobile Robot)提出一個模糊速度控制器來改善其控制，其可以加快全方位機器人之移動速度，讓機器人之行動更加敏捷。本論文規劃設計一個運動模擬系統並且在此模擬系統上驗證所提模糊速度控制器之效能，然後將模糊速度控制器實現在NIOS 發展電路板上來實際控制四輪全方位移動機器人。從結果顯示所提模糊速度控制器確實可以加快機器人之移動速度與行進方向穩定，而機器人實際運動狀況亦非常接近 模擬結果，所以所規劃設計的運動模擬系統可以實際應用在機器人的移動測試上。此外，本論文提出一個以H 橋電路改良的馬達驅動電路設計，其具有電壓顯示、過電流保護、與使用單一電源即可運作等多功能設計。在電路的規劃與實現上，所採用的零件幾乎都是表面黏著元件(Surface Mounted Device，SMD)，所以電路板可以有效的實現在一個3x5 平方公分的小面積上，此設計將可以方便應用在各種不同平台的使用上。透過實際的測試可以證實所設計之馬達驅動電路確實是有效可行的。[[abstract]]In this thesis, an omni-directional mobile robot with four omni-directional wheels is considered and a fuzzy speed controller is proposed to improve its speed response. The proposed fuzzy speed controller can let the four-wheeled omni-directional mobile robot move faster. A mobile simulation system is developed and the proposed fuzzy speed controller is simulated in this system to test its performance. Then the proposed controller is implemented on the NIOS development board to control this four-wheeled omni-directional mobile robot. The practical control results indicate that the proposed fuzzy speed controller can actually improve its mobile speed. Moreover, an independent drive circuit is designed and implemented to drive the motor. Multiple functions of voltage display, over current protection, and single-power work are considered in this circuit design. SMD (Surface Mounted Device) components are considered to be implemented in the circuit design so that the drive circuit can be implemented on a small area of 3cm x 5cm. In the practical application, the driver circuit can effectively drive the motor and can be applied in any mobile platforms.[[tableofcontents]]目錄 第ㄧ章緒論....................................1 1.1 研究目的與動機............................1 1.2 論文架構..................................2 第二章系統介紹................................3 2.1 機器人系統介紹............................3 2.2 比例控制器設計介紹.......................11 2.3 模糊系統介紹.............................12 2.4 模糊控制器設計介紹.......................13 2.5 速度模糊控制器設計介紹...................16 第三章機器人運動系統模擬.....................22 3.1 模擬系統簡介.............................22 3.2 模擬結果比較.............................26 第四章FPGA硬體電路設計.......................40 4.1 硬體電路與馬達編碼器介紹.................40 4.2 驅動電路介紹.............................44 4.3 速度模糊控制器之硬體電路實現.............56 4.4 實驗結果.................................58 第五章結論.................................. 63 參考文獻.....................................65 圖目錄 圖 2.1 機器人整體機械結構圖............................................................................4 圖 2.2 全方位移動機器人底座示意圖…………………...…..……..…………5 圖 2.3 全方位輪實體與避震裝置機構圖…….…………………...……………5 圖 2.4 全方位攝影機實體……...…….…………………………………………6 圖 2.5 全方位影像擷取畫面圖…………………...………………………….....6 圖 2.6 機器人足球場地示意圖……………………...………………………….8 圖 2.7 機器人足球實際比賽場地圖………….……………....………………..8 圖 2.8 機器人資訊處理流程圖…….……………………..…………………....9 圖 2.9 機器人硬體設備組成介紹…….……………………….………………10 圖 2.10 速度比例微分控制系統架構…………………………..……………..11 圖 2.11 模糊控制器基本架構圖…………………....…………..……………..14 圖 2.12 速度模糊控制系統架構…………………....…………..……………..17 圖 2.13 模糊系統的輸入與輸出變數……………....…………..……………..18 圖 2.14 輸入變數 之歸屬函數圖…………..……..……..…………………..19 圖 2.15 輸入變數 之歸屬函數圖………..……....…….…….……………..19 圖 2.16 輸出變數 之歸屬函數圖……………..………….…...……………19 圖 3.1 機器人運動模擬軟體之視窗畫面….…..………………..……………23 圖 3.2 全方位移動機器人四輪位置示意圖……………………..……………24 圖 3.3 機器人運動模擬軟體之軌跡參數設定圖………………..……………24 圖 3.4模擬軟體之轉速響應曲線圖(LB，左後輪)……………..……………24 圖 3.5 機器人運動模擬視窗畫面之軌跡顯示圖……….……...……………..25 圖 3.6(a) 視窗畫面在無速度控制器往右方移動設定的軟體模擬結果…….27 圖 3.6(b) 視窗畫面在無速度控制器往左方移動設定的軟體模擬結果…….27 圖 3.6(c) 視窗畫面在無速度控制器往右上方移動設定的軟體模擬結果….28 圖 3.6(d) 視窗畫面在無速度控制器往左下方移動設定的軟體模擬結果….28 圖 3.6(e) 視窗畫面在無速度控制器往正上方移動設定的軟體模擬結果….29 圖 3.6(f) 視窗畫面在無速度控制器往正下方移動設定的軟體模擬結果….29 圖 3.6(g) 視窗畫面在無速度控制器往左上方移動設定的軟體模擬結果….30 圖 3.6(h) 視窗畫面在無速度控制器往右下方移動設定的軟體模擬結果….30 圖 3.7(a) 視窗畫面在比例微分控制器往右方移動設定的軟體模擬結果….31 圖 3.7(b) 視窗畫面在比例微分控制器往左方移動設定的軟體模擬結果….31 圖 3.7(c) 視窗畫面在比例微分控制器往右上方移動設定的軟體模擬結果.32 圖 3.7(d) 視窗畫面在比例微分控制器往左下方移動設定的軟體模擬結果.32 圖 3.7(e) 視窗畫面在比例微分控制器往正上方移動設定的軟體模擬結果.33 圖 3.7(f) 視窗畫面在比例微分控制器往正下方移動設定的軟體模擬結果.33 圖 3.7(g) 視窗畫面在比例微分控制器往左上方移動設定的軟體模擬結果.34 圖 3.7(h) 視窗畫面在比例微分控制器往右下方移動設定的軟體模擬結果.34 圖 3.8(a) 視窗畫面在速度模糊控制器往右方移動設定的軟體模擬結果….35 圖 3.8(b) 視窗畫面在速度模糊控制器往左方移動設定的軟體模擬結果….35 圖 3.8(c) 視窗畫面在速度模糊控制器往右上方移動設定的軟體模擬結果.36 圖 3.8(d) 視窗畫面在速度模糊控制器往左下方移動設定的軟體模擬結果.36 圖 3.8(e) 視窗畫面在速度模糊控制器往正上方移動設定的軟體模擬結果.37 圖 3.8(f) 視窗畫面在速度模糊控制器往正下方移動設定的軟體模擬結果.37 圖 3.8(g) 視窗畫面在速度模糊控制器往左上方移動設定的軟體模擬結果.38 圖 3.8(h) 視窗畫面在速度模糊控制器往右下方移動設定的軟體模擬結果.38 圖 4.1 Nios發展板實體圖圖……………………………….…………………..40 圖 4.2控制器硬體電路模組架構……………………………………………...40 圖 4.3 全方位移動機器人馬達與回授編碼器示意圖………………………..42 圖 4.4 回授編碼器資料波形圖………………………………………………..42 圖 4.5 驅動電路完整線路圖...………………………………………………...44 圖 4.6 H-橋線路圖……………………………………………….…………….47 圖 4.7 SO-8零件包裝尺寸圖……………………………………..……………47 圖 4.8 AO4422零件簡介圖...……………………………………..……………47 圖 4.9 AO4407零件簡介圖………………………………………..…………...48 圖 4.10 過電流保護電路...………………………………………..…………...49 圖 4.11 電源顯示電路……………………………………………..…………..50 圖 4.12 驅動信號轉換電路………………………………………..…………..50 圖 4.13 2N7002E元件介紹………………………………………..…………...51 圖 4.14 2N7002E元件包裝與內部結構示意圖…………………..…………...51 圖 4.15 連接器與隔離電源線路圖………………………………...………...52 圖 4.16 同狀態保護線路圖………………………………………..…………..52 圖 4.17 Top層零件佈局及線路規劃圖…………………………..……………54 圖 4.18 Bottom層零件佈局及線路規劃圖……………………….…………...54 圖 4.19 模糊控制器之硬體電路架構圖…………………………..…………..55 圖 4.20(a)視窗畫面在速度模糊控制器往右方移動設定的實際數據結果.....58 圖 4.20(b)視窗畫面在速度模糊控制器往左方移動設定的實際數據結果.....58 圖 4.20(c)視窗畫面在速度模糊控制器往右上方移動設定的實際數據結果.59 圖 4.20(d)視窗畫面在速度模糊控制器往左下方移動設定的實際數據結果.59 圖 4.20(e)視窗畫面在速度模糊控制器往正上方移動設定的實際數據結果.60 圖 4.20(f)視窗畫面在速度模糊控制器往正下方移動設定的實際數據結果.60 圖 4.20(g)視窗畫面在速度模糊控制器往左上方移動設定的實際數據結果.61 圖 4.20(h)視窗畫面在速度模糊控制器往右下方移動設定的實際數據結果.61 表目錄 表2.1 模糊系統之模糊規則庫………………………………….……..……20 表 4.1 控制器硬體電路模組架構圖……....………………………..…………41 表 4.2 驅動電路信號說明………………………………….……………...…..43 表 4.3 電路狀態真值表…………..……………………………………………45 表 4.4 速度模糊控制器核心架構腳位…………..……………………………56[[note]]學號: 793350314, 學年度: 9