Implementation of Quadruped Robot's Motion Control on SoC FPGA

Abstract

Παρόλο που τα πεδία της Ρομποτικής και των FPGA μπορεί να φαίνονται ασυσχέτιστα εκ πρώτης όψεως, η συνεργασία τους έχει τη δυνατότητα να οδηγήσει σε αξιοσημείωτα κατορθώματα, λαμβάνοντας υπόψιν τις ανάγκες του πρώτου πεδίου και τα προτερήματα του δεύτερου. Από την μια πλευρά, τα ρομπότ έχουν εξελιχθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια, ωθώντας τα όρια τους ακόμα παραπέρα και προσφέροντας νέες ευκαιρίες. Ωστόσο, καθώς οι στόχοι τους επεκτείνονται, το ίδιο συμβαίνει και για τις ανάγκες τους. Σήμερα, ο κινηματικός έλεγχος είναι ιδιαίτερα απαιτητικός σε πόρους και σε δεδομένα, ενώ ο αριθμός των ενσωματωμένων αισθητήρων σε ρομποτικές συσκευές συνεχώς αυξάνεται. Από την άλλη πλευρά, τα FPGA συνεχώς βελτιώνονται από την ημέρα της δημιουργίας τους, αποκτώντας μια εξέχουσα θέση στο πεδίο των Μέσων Ψηφιακής Σχεδίασης Κυκλωμάτων. Το χαμηλό τους κόστος σε συνδυασμό με την δυνατότητα τους για παράλληλη επεξεργασία, χωρίς να περιορίζονται σε μια αμετάβλητη διαμόρφωση, έχουν οδηγήσει στην αξιοποίησή τους σε πληθώρα εφαρμογών. Ταυτόχρονα, το μεγάλο πλήθος περιφερειακών που διαθέτουν, τα καθιστούν ιδανικά για την διαχείριση πολλών εξωτερικών σημάτων. Επομένως, μια πιθανή συνεργασία μεταξύ των δύο κλάδων φαντάζει ιδιαίτερα λογική, γεγονός που μας οδήγησε στην απόφαση να εξερευνήσουμε αυτή τη δυνατότητα, στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Συνοπτικά, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός κεντρικού συστήματος ελέγχου για το τετράποδο ρομπότ Λαίλαψ ΙΙ, αξιοποιώντας τη SoC αναπτυξιακή πλατφόρμα Zybo, που συγκροτείται από έναν επεξεργαστή ARM-Cortex A9 και ένα FPGA της οικογένειας Zynq-7000 από την Xilinx. Συγκεκριμένα, έπειτα από μια σύντομη εισαγωγή στα Τετράποδα ρομπότ και τα FPGA, στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται η FPGA πλατφόρμα, καθώς και το τετράποδο ρομπότ που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια, αναλύεται το υπεύθυνο υλισμικό για την διαχείριση των κινητήρων και των κωδικοποιητών, ενώ παρατίθενται τα αντίστοιχα διαγράμματα λειτουργίας, καθώς επίσης και πειράματα που επιβεβαιώνουν την ορθότητα τους. Κατόπιν, αναλύεται το λογισμικό κομμάτι του συστήματος, το οποίο είναι υπεύθυνο για την υλοποίηση του κινηματικού ελέγχου, καθώς επίσης και το AXI4-Lite πρωτόκολλο, με το οποίο επιτυγχάνεται η επικοινωνία του επεξεργαστή και του FPGA. Εν συνεχεία, στο κεφάλαιο 6 απεικονίζεται η ενοποίηση του συστήματος, μαζί με ορισμένες ηλεκτρονικές πλακέτες που κατασκευάστηκαν εξ ολοκλήρου για λόγους συνδεσιμότητας. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 περιλαμβάνεται η πειραματική αξιολόγηση του προτεινόμενου συστήματος, όπου επιτυγχάνεται ο κινηματικός έλεγχος του ρομπότ. Συμπεραίνοντας, το προτεινόμενο σύστημα καταφέρνει να διαχειριστεί όλα τα απαιτούμενα περιφερειακά του ρομπότ, προσφέροντας παράλληλα πλήρη λειτουργικότητα, σχετικά σύντομο χρόνο υλοποίησης, αλλά και προοπτική για επέκταση, σε ιδιαίτερα προσιτή τιμή. Συγκεκριμένα, στο τελευταίο κεφάλαιο, προτείνονται μερικές προτάσεις σχετικά με μελλοντικές αλλαγές και βελτιώσεις που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν εύκολα. Συνολικά, η δομή των κεφαλαίων σχεδιάστηκε με τέτοιο τρόπο, ώστε ακόμα και κάποιος με περιορισμένο υπόβαθρο στον προγραμματισμό υλισμικού ή στη Ρομποτική, να μπορεί εύκολα να κατανοήσει το περιεχόμενό τους.