Sử dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển cho robot tự hành

Robot tự hành hay robot di động (mobile robot) được định nghĩa là một loại xe có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) duới sự điều khiển tự động hoàn thành một công việc được giao. Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là mặt đất, nuớc, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Ðịa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Ðề tài nghiên cứu này đi sâu nghiên cứu ứng dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển robot tự hành.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sử dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển cho robot tự hành Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 13 - 16 SỬ DỤNG FPGA ĐỂ XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT TỰ HÀNH Bùi Tuấn Anh*, Kim Đình Thái Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Robot tự hành hay robot di động (mobile robot) đƣợc định nghĩa là một loại xe có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại đƣợc) duới sự điều khiển tự động hoàn thành một công việc đƣợc giao. Theo lý thuyết, môi trƣờng hoạt động của robot tự hành có thể là mặt đất, nuớc, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Ðịa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Ðề tài nghiên cứu này đi sâu nghiên cứu ứng dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển robot tự hành. Từ khóa: Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL), Field Programmable Gate Array (FPGA), Very high speed Circuit Itergrated (VHSIC), điều chế độ rộng xung (PWM), robot di động (mobile robot) GIỚI THIỆU* Ở trong bài báo này chúng tôi trình bày việc sử dụng ngôn ngữ VHDL để mô tả phần cứng cho mạch tích hợp tốc độ cao. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL đƣợc phát triển dùng cho chƣơng trình VHSIC (Very High Speed Itergrated Circuit) của Bộ Quốc phòng Mỹ. VHDL đƣợc ba công ty Intermetics, IBM và Texas Instruments bắt đầu ngiên cứu phát triển vào tháng 7 năm 1983. Phiên bản đầu tiên đƣợc công bố vào tháng 8-1985. Sau đó nó đƣợc tổ chức IEEE xem xét thành một tiêu chuẩn chung. Năm 1987 đã trở thành tiêu chuẩn (tiêu chuẩn IEEE-1076). Theo lý thuyết, môi trƣờng hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nƣớc, không khí không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt robot mà robot di chuyển có thể bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm. Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot tự hành làm hai loại: chuyển động bằng chân (legged) hoặc chuyển động bằng bánh (wheeled). Mặc dù có ứng dụng cao, nhƣng để chế tạo robot tự hành còn vƣớng nhiều hạn chế chƣa giải quyết trọn vẹn nhƣ chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng đƣợc sử dụng rộng rãi. Một nhƣợc điểm khác của robot tự hành phải kể đến là còn thiếu linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. Bài toán tìm đƣờng (navigation * Tel: 01692 478758, Email: btanh@ictu.edu.vn problem) của robot tự hành cũng không phải là loại bài toán đơn giản nhƣ nhiều ngƣời nghĩ ban đầu. Trong bài báo này, bài toán tìm đƣờng cũng nhƣ mô hình điều khiển robot sẽ đƣợc giải quyết mức độ không quá phức tạp bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, trên công cụ lập trình cho FPGA. Trong một robot phần cơ bản quan trọng nhất trong robot chính là hệ thống cảm biến. Cảm biến đƣợc định nghĩa là các giác quan của robot. Robot cần xác định trạng thái của môi trƣờng bên ngoài (nhƣ là các vạch trắng, màu sắc của các chƣớng ngại vật…) để gửi trạng thái môi trƣờng đến bộ xử lý rồi đƣa ra các phản ứng điều khiển robot để thích ứng với các sự kiện bên ngoài ấy. Các loại cảm biến trong kỹ thuật robot ngƣời ta sử dụng nhiều loại cảm biến nhƣ: LED hồng ngoại, quang điện trở (photorresistance), tế bào quang điện, cảm biến công nghiệp, camera số trong công nghệ xử lý ảnh. Mạch công suất dùng để điều khiển động cơ điện một chiều (DC motor). MÔ TẢ PHẦN CỨNG CHO ROBOT DI ĐỘNG Kiến trúc của một robot tự hành cơ bản Mạch điều khiển đƣợc lập trình tạo ra 3 khối. Khối chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành số (ADC): Có nhiệm vụ xử lý tín hiệu sensor dò đƣờng đƣa vào bộ xử lý xây dựng bằng FPGA. Khối điều khiển chuyển động: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối phát hiện tín hiệu đƣờng dẫn và đƣa ra mức điều khiển hợp lý. 13 Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Khối tạo xung: Phát xung cho hai động cơ giúp cho động cơ có thể hoạt động linh hoạt theo phƣơng pháp PWM để bám theo đƣờng dẫn 116 (02): 13 - 16 thanh ghi lập trình, độ phân giải tối đa là 8 bit, tích hợp timer, hỗ trợ một ngõ ra điều chế. Sơ đồ chân của PWM nhƣ sau. Hình 1: Sơ đồ khối của một robot tự hành sử dụng FPGA Hệ thống này bao gồm cả hai phần cứng và phần mềm. Đầu ra của ADC đƣợc nối đến bộ xử lý trên kit FPGA và nó đã đƣợc sử dụng nhƣ là đầu vào của các mã nguồn. Ngôn ngữ sử dụng trong hệ thống này là VHDL. Bộ chuyển đổi ADC8-bit sử dụng trên kit FPGA Hình 2: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi ADC 8-bit Trong đó Vin là tín hiệu điện áp cần chuyển đổi (Input). Vref là tín hiệu điện áp so sánh (Input). Di là 8 bit đầu ra số của bộ ADC i=0,…,7 (Output). Ta lấy Vref=15 VDC làm điện áp so sánh. Với ADC 8 bit sẽ có 28=256 trạng thái chạy từ 0000 0000 đến 1111 1111. Nhƣ vậy mỗi bƣớc tính tƣơng ứng là N=10/(256-1). Số 8 bits ra của bộ ADC sẽ là Hình 3: Bộ chuyển đổi ADC 8 bit xây dựng trên phần mềm Quartus II Hình 4: Sơ đồ chân của bộ chuyển đổi ADC n=Vin/N=Vin(256-1)/15=Vin(255/15)= Vin.17 Điều chế độ rộng xung (PWM) Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse With Modulation) là một khâu quan trọng trong thiết kế robot. Sử dụng phƣơng pháp này chúng ta có thể điều khiển một cách linh hoạt cho motor DC từ đó có thể dùng các hàm vận tốc để cho robot bám theo vạch trắng. Module PWM có các nhiệm vụ nhƣ sau: Hỗ trợ các 14 Hình 5: Sơ đồ khối của module PWM như sau Hệ thống bao gồm thanh ghi bộ đếm 8 bit, luôn đếm lên, và hai thanh ghi tham chiếu period và duty. Các thanh ghi này đƣợc ghi vào bởi một master. Tại sƣờn lên bộ đếm, duty match sẽ xảy ra trƣớc period match. Nếu thanh ghi duty lớn hơn thanh ghi period thì Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 13 - 16 xem nhƣ ngõ ra xung điều chế không đổi. Khi period match xảy ra, ngõ ra đƣợc đặt lên logic 1, đồng thời thanh ghi counter timer bị xóa. Khi duty match xảy ra, ngõ ra bị xóa về logic 0 và thanh ghi counter timer tiếp tục đếm đến period match. Để tránh hiện tƣợng max speed của bộ điều chế ta cho ngõ ra bằng 0. Hình 6: Bộ điều chế độ rộng xung ( PWM) xây dựng trên phần mềm Quartus II Hình 8: Mô phỏng Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) xây dựng bằng ngôn ngữ VHDL Cách bố trí cảm biến trên robot Trong mạch nà ...