基于FPGA的小型足球机器人的控制系统研究

论文摘要

足球机器人比赛是一个高实时性、高动态特性的环境,在比赛中足球机器人必须具备高度的机动性和灵活性。因此,一个良好的控制系统是对于足球机器人来说非常重要的,足球机器人要能实现快速前进、后退、转角、停车等基本动作,要具备控球、射门、挑球等基本技能,都离不开精确的控制系统。本课题主要研究小型足球机器人的控制系统,使足球机器人在比赛中完成各种动作和实现对运动的控制。主要研究内容如下:(1)底层系统的电路设计。底层电路和基于FPGA的SOPC系统共同构成整个控制系统的硬件电路。底层电路系统包括通信子系统、击球子系统、红外测球系统、电机驱动和电源模块等,重点对通信子系统、击球子系统进行了设计。通信子系统主要包括无线通信芯片的特性,以及无线发射器和接收器的电路设计;击球子系统包括击球系统的控制方案,高压升压电路的设计和电磁铁驱动电路的设计。(2)基于FPGA的SOPC系统设计。主要包括FPGA外围电路、功能模块电路、SOPC外设的设计,重点对功能模块电路和SOPC外设进行了设计。功能模块包括测速系统电路和击球逻辑电路,对测速系统的方法选择、滤波电路、测速电路以及击球逻辑电路的工作原理进行了详细的分析与设计。SOPC外设重点在于PWM设计和无线通信芯片PTR4000接口电路的设计,详细分析了工作原理和程序设计。(3)控制系统的软件设计。主要包括功能模块的FPGA程序、无线通信、运动控制以及驱动程序等。FPGA程序重点是PWM的程序设计。无线通信主要设计了配置程序,无线发射程和无线接收程序。运动控制主要包括控制算法的设计,参数选择以及程序的编写。主控程序主要包括系统主控器的主程序,初始化程序和中断服务程序。(4)系统调试与测试。主要包括对各个电路模块的调试情况和对系统基本功能的测试情况。系统调试的对象主要包括FPGA最小系统、测速模块,PWM模块以及升压模块和电机驱动等。系统测试在软硬件实验平台对足球机器人的功能进行测试,包括无线通信、红外测球,平射、挑射、控球等基本动作,以及前进、后退、旋转、停车等运动性能,重点对机器人的调速性能进行了测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 机器人足球的研究现状
• 1.2.2 小型组机器人足球的研究现状
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 控制系统的总体设计
• 2.1 足球机器人的运动模型
• 2.2 足球机器人的控制流程
• 2.3 控制系统的需求分析
• 2.4 控制系统的设计方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 底层系统的电路设计
• 3.1 通信子系统
• 3.1.1 通信子系统的结构
• 3.1.2 主要芯片选型
• 3.1.3 无线通信的电路设计
• 3.2 击球子系统
• 3.2.1 击球子系统方案
• 3.2.2 升压电路
• 3.2.3 电磁铁驱动电路
• 3.3 红外测球系统
• 3.3.1 红外测球原理
• 3.3.2 红外测球电路
• 3.4 电机驱动
• 3.4.1 电机选型
• 3.4.2 驱动电路
• 3.5 电源模块
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于FPGA 的SOPC 系统设计
• 4.1 FPGA 和SOPC 介绍
• 4.2 FPGA 基本电路
• 4.2.1 芯片选型
• 4.2.2 电路设计
• 4.3 SOPC 系统总体设计
• 4.3.1 系统总体方案
• 4.3.2 系统总电路
• 4.4 功能模块设计
• 4.4.1 测速功能模块
• 4.4.2 击球控制电路
• 4.5 SOPC 模块设计
• 4.5.1 PWM 设计
• 4.5.2 PTR4000 接口设计
• 4.5.3 NIOS II 和RAM 配置
• 4.5.4 PIO 接口
• 4.6 本章总结
• 第五章 控制系统的软件设计
• 5.1 软件开发环境
• 5.2 FPGA 程序
• 5.2.1 JK 触发器
• 5.2.2 PWM 接口
• 5.3 无线通信
• 5.3.1 通信协议
• 5.3.2 通信程序
• 5.4 运动控制
• 5.4.1 控制算法
• 5.4.2 参数选择
• 5.4.3 运动控制程序
• 5.5 主控程序
• 5.5.1 初始化
• 5.5.2 主程序
• 5.5.3 中断程序
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统调试与测试
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 FPGA 最小系统调试
• 6.1.2 测速模块调试
• 6.1.3 PWM 模块调试
• 6.1.4 驱动模块调试
• 6.2 系统测试
• 6.2.1 机器人实验平台
• 6.2.2 无线通信测试
• 6.2.3 踢球、控球、测球等功能测试
• 6.2.4 运动功能测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 课题总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士学位期间的研究成果