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项目信息
项目名称:基于软硬件协同处理的小型轮式机器人平台  
英文名称:A Wheeled Robot based on HW/SW co-processing 
项目信息:
应用领域:工业控制、科研、医疗
设计摘要:
项目基于FPGA结合ARM的基本结构,设计了一种层次化的处理平台、三种协同处理架构以及通用协同处理片内结构,并在轮式机器人应用中进行具体设计,完成了数字图像处理、双闭环运动控制、点阵液晶显示、智能手机平台控制。结果显示,软硬件协同处理架构大大提升了系统性能,设计开发方法更加快了开发进程。该平台在工业控制领域具有一定广泛意义和推广价值,该架构下的轮式机器人适合研究自动驾驶、自动泊车、图像处理、智能控制算法等机器人应用。
随着基于FPGA的SOPC技术的发展,使用SOPC技术来实现可重配置的机器人控制器也成为了机器人平台研究的热点。然而基于开发控制系统的商业性、系统可升级性、算法复杂度以及工具链、生态链成熟度的角度考虑,使用基于ARM的CPU作为主控制器更易于实现该平台。同时,非常有商业前景的实时嵌入式操作系统TOPPERS在ARM7上的移植可以丰富系统的应用及加强实时性。
系统分为三个层次:高性能处理层、实时控制层、数据平面层。系统利用FPGA处理密集数据流,利用MCU处理复杂控制流并扩展功能到高性能处理层。实时控制层与数据平面层之间采用串并行结合的方式通信,保证两者之间数据交换的高效性和灵活性。实时控制流层通过网络(有线或无线)、USB和串行口等多种方式与高性能处理层(PC、智能手机、平台电脑等)进行通信,完成更复杂的功能。而实时控制流层与数据平面层的关系分为预处理器、后处理器、协处理器这三类,能满足不同的应用需求。
将上述软硬件协同处理架构应用到针对机器视觉的移动机器人领域,对控制系统环节进行适当的软硬件分割,系统结构将分为数字图像处理的预处理器、图形显示的后处理器、运动控制的协处理器。在该平台FPGA内部设计了通用的IP扩展方式,使用同步总线EMC作为片内总线。数字图像处理包含同步、全局动态阈值分割、细化、压缩等;运动控制采用A3原则实现了直流电机速度环、电流环控制;液晶则实现了软硬件图像动态回传。所设计的小型轮式机器人平台不光有助于机器人技术领域的研究,也是一个理想的嵌入式技术的研究和验证平台。
系统原理和技术特点:


1. ARMFPGA高效通信及重配置

采用的ARM7芯片拥有32 位外部存储器控制器EMC以及串行同步接口SSPEMC支持异步静态存储器(如SRAMFlash)和动态存储器(例如SDRAM)的并行接口,而SSP兼容SSISPIMicroWave等格式,并支持DMA传输。

为了充分发挥接口性能,ARM7Spartan6之间的通信采用双向EMC与双向SSP结合的方式,其中一路SSP被配置成SPI模式,完成ARMFPGA从串配置。该硬件组合下的从串重配置适合中小型嵌入式系统,为了更快的配置速度,可以采用从并重配置方式,或使用更快的处理器。

2. FPGA实现机器视觉

项目使用摄像头主要是为了完成循线和标志识别,上层控制流所需的信息并没有那么丰富,大部分无用信息可以通过可编程硬件滤波、图像分割、图像细化;其次,高速运动的机器人平台捕捉的图像也是各帧运动的,需要对运动帧做滤波、趋势判断处理。由此产生的数据流均由可编程硬件FPGA完成。

Matlab等高级仿真工具具有比一般HDL仿真器更好的数字信号仿真能力,而基于System GeneratorMatlab Simulink的软硬件协同仿真方法正成为一大热门数字信号验证方法。

3. FPGA实现双闭环运动控制算法

使用FPGA实现运动控制系统有着相当大的优势,因为使用PI或者PID调节器实现对电机的速度闭环或者速度、电流双闭环计算有着相对固定的计算格式,并且逻辑判断相对较少。同时,运动控制系统使用速度、电流双闭环控制时对计算速度要求高。

 

高级语言具有比硬件描述语言更好的行为级建模能力,而基于System GeneratorMatlab Simulink的软硬件协同设计方法正成为一大热门控制系统开发方法。

4. FPGA实现在系统图像显示

针对显示输出设备,有两类任务:车载显示和无线显示。车载显示可利用小型LCM显示数字图像处理的图像和监控数据;而无线显示可采用无线局域网等网络连接机器人平台和上位机,实时回传摄像头图像

 

 

 

系统框图.jpg
系统框图:系统框图.jpg
数字图像处理框图.jpg
系统框图:数字图像处理框图.jpg
运动控制系统框图.jpg
系统框图:运动控制系统框图.jpg
软件流程介绍: 软件流程:处理算法.doc [150.6 KB]
计划书:计划书:基于软硬件协同处理的小型轮式机器人平台 - 1945.doc [3 MB]
当前项目状态: 车模搭建完毕,逻辑、硬件、软件完整整合,实际运行良好。Spartan-6平台测试正确。完成软件巡线,见新视频:http://v.youku.com/v_show/id_XMzg5MjY4NDg0.html
参赛信息:
指导老师姓名: 何顶新
指导老师职称: 副教授
学校: 华中科技大学
研究方向: 计算机控制技术、系统集成技术等。
参赛情况: 第三届OpenHW开放源码硬件与嵌入式大赛
需求信息:
拟采用的平台:Atlys Spartan®-6 FPGA 开发套件
是否需要设计扩展板?
需要的基本功能:
最新版本:
暂无发布的版本信息   了解目前项目的开发进度
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