基于Kinetis+FPGA的小型移动机器人平台设计

摘要

随着机器人性能的不断完善，移动机器人的应用范围不断扩展，在工业、航天、服务业等各个方面发挥着巨大的作用。轮式移动机器人作为移动机器人最重要的实现方式之一，是当前机器人领域科研与应用的热点。现有的移动机器人研究在硬件和软件上的开发已趋于成熟，但是依然存在不足，针对不同问题开发的大部分移动机器人各自有特定的需求，要求研发人员重新对硬件电路、软件程序进行设计，大大降低了研发效率。根据模块化、层次化的设计方法，本文介绍了一种模块化、可重构、混合架构的小型移动机器人平台设计方案，帮助研发人员快速的根据需求构建特定的机器人平台，缩短研发周期、降低了开发成本。
　　本文设计的移动机器人采用四轮独立驱动的底盘，系统分为三大模块：感知与运动模块、实时控制模块、高性能处理模块。感知与运动模块包含了各式各样的传感器和动作器的驱动电路，文中设计为通用接口便于开发者针对需求进行更换；实时控制模块为整个移动机器人平台的核心，其核心处理单元为ARM-FPGA的混合架构，由一片Cortex M4内核的Kinetis系列微控制器与一片FPGA构成，并搭载各种常用的嵌入式通讯协议接口和外设；高性能处理模块无需做硬件设计，可采用PC机或手机等移动终端。最后通过一些测试和实验，本文对移动机器人平台的性能进行检测，并验证了系统的可行性。

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1 绪论

1.1本课题背景

1.2轮式移动机器人的国内外研究现状

1.3轮式移动机器人平台的研究意义

1.4论文主要内容安排

2 移动机器人平台总体架构分析

2.1移动机器人系统的整体结构分析

2.2移动机器人平台的硬件系统需求分析

2.3移动机器人平台的软件系统需求分析

2.4本章小结

3 移动机器人平台硬件系统的模块化设计

3.1移动机器人平台的硬件设计方案

3.2移动平台的硬件结构设计

3.3感知与运动层的硬件结构设计

3.4实时控制层的硬件结构设计

3.5电源系统的硬件结构设计

3.6本章小结

4 移动机器人平台的软件系统设计分析

4.1移动机器人平台的软件设计方案

4.2传感器模块的控制方案

4.3电机驱动控制方案

4.4本章小结

5 移动机器人平台测试与分析

5.1电源完整性测试

5.2基于图像传感器的路径识别测试

5.3本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录