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仿人机器人是多门基础学科与多项高技术的集成,代表了机器人的是当前机器人研究领域最活跃的研究方向之一,日益受到世界各国普遍关注视。国内外普遍采用以单片机或DSP作为控制系统的微处理器来实现机器人的制算法,但由于用单片机或DSP控制机器人占用接口资源较多,所需外围元器件也较多,因而对整个系统的稳定性和可靠性有较大影响。
基于NiosII软核的仿人机器人控制系统,把原来CPU+CPLD硬件组合形式实现的功能仅用一块FPGA芯片来实现,能很好的解决以上的问题。基于FPGA的NiosII系统以其设计灵活、软硬件编程、丰富的IP核库支持等特点深受设计者青睐,然而国内这方面的相关应用及研究相对比较少,本文尝试着把NiosII软核处理器系统应用到仿人机器人控制系统中去,实现对仿人机器人的无线控制功能。
论文的内容主要包括以下几个方面:
1.介绍了仿人机器人的发展状况,阐述了SoC、SOPC、IP核的概念以及NiosII软核处理器的特点和结构,介绍了基于NiosII软核处理器的SOPC系统设计方法,提出了基于NiosII的仿人机器人控制系统的构成和核心控制器的架构。
2.设计实现了基于NiosII的仿人机器人控制系统。利用EDA工具QuartusII完成NiosII系统配置,包括IP核的选择、CPU设定、各部分接口模块的设计、确定系统互联逻辑以及分配FPGA的引脚等;利用NiosII IDE实现控制系统的软件开发。
3.详细阐述了用户自定义IP核可重用性的设计方法和使用SOPC Builder开发自定义IP核的流程。在此基础上,开发出脉冲宽度调制(PWM)功能的自定义IP核,并设计了基于PWM技术的关节舵机位置和速度控制电路,实现了对机器人动作的控制。
4.在Visual Basic环境中,利用DirectInput组件对摇杆输入装置进行编程;利用摇杆实现对机器人的无线控制;利用MSComm控件实现了上下位机之间的串行通信。
结果表明,本文所提出的系统设计方案是可行的。基于NiosII的仿人机器入控制系统在速度、功耗、体积、可扩展性、稳定性方面有着独特的优势,具有广阔的发展空间。