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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:俞俊豪
研究生(外文):YU,Chun-Hao
論文名稱:植基於FPGA之三輪全方位移動機器人模糊運動控制
論文名稱(外文):FPGA-Based Fuzzy Motion Control of a Three-WheeledOmnidirectional mobile robot
指導教授:黃旭志吳德豐
指導教授(外文):Huang, Hsu-ChihWu,Ter-Feng
口試委員:陳珍源蔡樸生黃旭志吳德豐練光佑
口試委員(外文):Chen,Jen-YangTsai Pu-ShengHuang, Hsu-ChihWu,Ter-FengLian,Kuang-Yow
口試日期:2012-07-18
學位類別:碩士
校院名稱:國立宜蘭大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:嵌入式模糊控制可程式化邏輯陣列(FPGA)全方位可程式化系統晶片(SoPC)
外文關鍵詞:Embeddedfuzzy controlfield-programmable gate array (FPGA)omnidirectionalsystem-on-a-programmable-chip (SoPC)
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本文提出一個嵌入式模糊運動控制器使三輪全方位移動機器人能夠達成點穩定和軌跡追蹤,全方位移動機器人由間隔120度的三個獨立驅動的全方位輪所組成,接著由全方位移動機器人的運動學模型,設計運動控制器達成了軌跡追蹤與點穩定。控制器參數則透過模糊理論達到自動調整,本文所提出的嵌入式模糊控制器採用FPGA晶片硬、軟體協同設計及SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)技術。除此之外,本文設計機器人應用的可重複使用IP,並下載到FPGA晶片驅動移動機器人達成軌跡追蹤需求。模擬結果與傳統的比例微分(PD)回授控制器作比較,以顯示本文所提出的控制方法的優點。最後以SoPC-based的全方位移動機器人模糊控制器驗證本文所提出方法的有效性與效能。
This thesis presents an embedded fuzzy motion controller method for trajectory tracking and stabilization of a three-wheeled omnidirectional mobile robot. The kinematic model of the mobile robot with three independent driving omnidirectional wheels equally spaced at 120 degrees from one another is briefly introduced. With the kinematic model, the motion controller to achieve both trajectory tracking and stabilization is synthesized. The controller parameters are auto-tuned by the fuzzy theory. This proposed embedded fuzzy controller is then implemented into a high-performance field-programmable gate array (FPGA) chip using hardware/software co-design technique and SoPC (System-on-a-Programmable-Chip) concept. A reusable user IP (Intellectual Property) core library for this robotic application is also developed and downloaded into the FPGA chip to steer the mobile robot to track the desired trajectory. Simulation results are conducted to show the merit of the proposed control method in comparison with a conventional proportional-derivative (PD) feedback controller. Finally, the effectiveness and performance of the proposed SoPC-based fuzzy controller are exemplified by conducting several experiments for the three-wheeled omnidirectional mobile robot.
誌 謝 I
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
表格索引 VII
圖片索引 VIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景與目的 3
1-3 研究步驟 4
1-4 文章架構 4
第二章 運動學為基礎之PD控制 5
2-1 前言 5
2-2 李亞普諾夫穩定性理論 5
2-3 運動學模型 6
2-4 運動學控制 7
2-4-1 點對點穩定 8
2-4-2 軌跡追蹤 9
第三章 模糊PID控制器 12
3-1 模糊理論簡介 12
3-2 模糊控制器基本原理 12
3-2-1 模糊化 13
3-2-2 模糊規則庫(Fuzzy Rule Base) 13
3-2-3 模糊推論引擎(Fuzzy Inference Engine) 13
3-2-4 解模糊化 13
3-3 PID控制原理 14
3-4 模糊PD控制器設計 16
3-5 模擬結果 21
3-5-1 點對點模擬: 21
3-5-2 直線追蹤模擬: 25
3-5-3 圓形軌跡模擬: 29
第四章 軟硬體設備與系統架構 35
4-1 全方位移動機器人基本架構 35
4-1-1 直流伺服馬達: 36
4-1-2 馬達驅動器HB-25: 37
4-1-3 FPGA實驗套件: 39
4-2 全方位移動機器人系統 42
4-2-1 控制部份 44
4-2-2 回授部份 48
4-2-3 嵌入式處理器 54
第五章 實驗結果與結論 59
5-1 實驗內容介紹 59
5-2 結論 66
參考文獻 67


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