基于DSP+FPGA机器人敏感皮肤实时信号处理的研究

摘要

智能化是机器人科学研究的主要发展方向之一，机器人的智能主要表现在未知环境下自主工作的能力，机器人敏感皮肤可以极大地改善机器人在未知环境下的感知能力，具有重大的研究意义。本文结合国家自然科学基金项目“基于传感皮肤的机器人自主模糊避碰运动方法研究”,根据机器人敏感皮肤系统的具体要求，设计了基于DSP+FPGA的机器人敏感皮肤信号处理系统，并采用基于快速傅立叶变换的谱分析方法对信号进行处理。
　　首先，由于红外传感器的光电转换在光路和电路中都会受到噪声的影响，针对采用传统信号处理方法带来的测量精度低、可靠性差这一问题，本文采用快速傅立叶变换和周期图法的经典谱分析方法对传感器信号进行处理，并对产生的误差进行了分析和校正。
　　其次，设计了敏感皮肤的信号处理硬件系统。为满足系统实时性要求，系统硬件电路采用模块化结构，利用快速的DSP+FPGA实现信号的并行处理，采用FPGA实现FFT算法，使用DSP完成谱信号的分析，同时通过CPLD来完成整个系统时序的控制。充分发挥在线可编程逻辑器件和微处理器各自的特点，兼顾了速度和灵活性。
　　再次，实现了基于FPGA的高速实时FFT处理器设计。结合本系统的特点，使用FPGA分别实现了数据的译码、加窗、存储、FFT、PSD和结果输出。并在分析了基2FFT算法的基础上，采用固定几何结构和块浮点数据格式，实现了256点12位复数点的FFT运算。
　　最后，对整个系统进行了仿真分析和实验验证。结果表明，采用DSP+FPGA的硬件系统和基于快速傅立叶变换的谱分析方法能有效减少噪声对系统的影响，满足系统精度和实时性要求。

目录

基于DSP+FPGA机器人敏感皮肤实时信号处理的研究

Research on Real-time Signal Processing of Robotics Sensitive Skin Based on DSP+FPGA

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 数字信号处理技术的发展

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 数字信号处理方法

2.1 引言

2.2 数字信号处理方法

2.3 经典谱估计的误差分析及校正

2.4 系统参数的确定

2.5 本章小结

第3章 数字信号处理系统硬件电路设计

3.1 引言

3.2 系统硬件总体设计

3.3 电源系统

3.4 DSP最小系统的构成

3.5 其他功能模块的实现

3.6 系统资源的分配

3.7 本章小结

第4章 基于FPGA的FFT处理器设计

4.1 引言

4.2 FPGA系统总体设计

4.3 FFT处理器的总体设计

4.4 FFT处理器各功能模块的实现

4.5 综合和布局布线

4.6 误差性能分析与波形仿真

4.7 本章小结

第5章 系统调试与实验

5.1 引言

5.2 仿真分析和实验验证

5.3 实时性分析

5.4 传感器特性曲线和传感器标定

5.5 系统测量误差

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢