Sử dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển cho robot tự hành

Bùi Tuấn Anh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 13 - 16<br /> <br /> SỬ DỤNG FPGA ĐỂ XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT TỰ HÀNH<br /> Bùi Tuấn Anh*, Kim Đình Thái<br /> Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Robot tự hành hay robot di động (mobile robot) đƣợc định nghĩa là một loại xe có khả năng tự<br /> dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại đƣợc) duới sự điều khiển tự động hoàn thành một<br /> công việc đƣợc giao. Theo lý thuyết, môi trƣờng hoạt động của robot tự hành có thể là mặt đất,<br /> nuớc, không khí, không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Ðịa hình bề mặt mà robot di chuyển<br /> trên đó có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm. Ðề tài nghiên cứu này đi sâu nghiên cứu ứng<br /> dụng FPGA để xây dựng hệ điều khiển robot tự hành.<br /> Từ khóa: Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL), Field Programmable Gate Array (FPGA), Very high<br /> speed Circuit Itergrated (VHSIC), điều chế độ rộng xung (PWM), robot di động (mobile robot)<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Ở trong bài báo này chúng tôi trình bày việc<br /> sử dụng ngôn ngữ VHDL để mô tả phần cứng<br /> cho mạch tích hợp tốc độ cao. Ngôn ngữ mô<br /> tả phần cứng VHDL đƣợc phát triển dùng cho<br /> chƣơng trình VHSIC (Very High Speed<br /> Itergrated Circuit) của Bộ Quốc phòng Mỹ.<br /> VHDL đƣợc ba công ty Intermetics, IBM và<br /> Texas Instruments bắt đầu ngiên cứu phát<br /> triển vào tháng 7 năm 1983. Phiên bản đầu<br /> tiên đƣợc công bố vào tháng 8-1985. Sau đó<br /> nó đƣợc tổ chức IEEE xem xét thành một tiêu<br /> chuẩn chung. Năm 1987 đã trở thành tiêu<br /> chuẩn (tiêu chuẩn IEEE-1076).<br /> Theo lý thuyết, môi trƣờng hoạt động của<br /> robot tự hành có thể là đất, nƣớc, không khí<br /> không gian vũ trụ hay tổ hợp giữa chúng. Địa<br /> hình bề mặt robot mà robot di chuyển có thể<br /> bằng phẳng hoặc thay đổi lồi lõm. Theo bộ<br /> phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia<br /> robot tự hành làm hai loại: chuyển động bằng<br /> chân (legged) hoặc chuyển động bằng bánh<br /> (wheeled). Mặc dù có ứng dụng cao, nhƣng<br /> để chế tạo robot tự hành còn vƣớng nhiều hạn<br /> chế chƣa giải quyết trọn vẹn nhƣ chi phí chế<br /> tạo cao, đã không cho phép chúng đƣợc sử<br /> dụng rộng rãi. Một nhƣợc điểm khác của<br /> robot tự hành phải kể đến là còn thiếu linh<br /> hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí<br /> khác nhau. Bài toán tìm đƣờng (navigation<br /> *<br /> <br /> Tel: 01692 478758, Email: btanh@ictu.edu.vn<br /> <br /> problem) của robot tự hành cũng không phải<br /> là loại bài toán đơn giản nhƣ nhiều ngƣời<br /> nghĩ ban đầu. Trong bài báo này, bài toán tìm<br /> đƣờng cũng nhƣ mô hình điều khiển robot sẽ<br /> đƣợc giải quyết mức độ không quá phức tạp<br /> bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, trên<br /> công cụ lập trình cho FPGA. Trong một robot<br /> phần cơ bản quan trọng nhất trong robot<br /> chính là hệ thống cảm biến. Cảm biến đƣợc<br /> định nghĩa là các giác quan của robot. Robot<br /> cần xác định trạng thái của môi trƣờng bên<br /> ngoài (nhƣ là các vạch trắng, màu sắc của các<br /> chƣớng ngại vật…) để gửi trạng thái môi<br /> trƣờng đến bộ xử lý rồi đƣa ra các phản ứng<br /> điều khiển robot để thích ứng với các sự kiện<br /> bên ngoài ấy. Các loại cảm biến trong kỹ<br /> thuật robot ngƣời ta sử dụng nhiều loại cảm<br /> biến nhƣ: LED hồng ngoại, quang điện trở<br /> (photorresistance), tế bào quang điện, cảm<br /> biến công nghiệp, camera số trong công nghệ<br /> xử lý ảnh. Mạch công suất dùng để điều khiển<br /> động cơ điện một chiều (DC motor).<br /> MÔ TẢ PHẦN CỨNG CHO ROBOT DI ĐỘNG<br /> Kiến trúc của một robot tự hành cơ bản<br /> Mạch điều khiển đƣợc lập trình tạo ra 3 khối.<br /> Khối chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành số<br /> (ADC): Có nhiệm vụ xử lý tín hiệu sensor dò<br /> đƣờng đƣa vào bộ xử lý xây dựng bằng<br /> FPGA. Khối điều khiển chuyển động: Nhận<br /> tín hiệu điều khiển từ khối phát hiện tín hiệu<br /> đƣờng dẫn và đƣa ra mức điều khiển hợp lý.<br /> 13<br /> <br /> Bùi Tuấn Anh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Khối tạo xung: Phát xung cho hai động cơ<br /> giúp cho động cơ có thể hoạt động linh hoạt<br /> theo phƣơng pháp PWM để bám theo đƣờng<br /> dẫn<br /> <br /> 116 (02): 13 - 16<br /> <br /> thanh ghi lập trình, độ phân giải tối đa là 8<br /> bit, tích hợp timer, hỗ trợ một ngõ ra điều chế.<br /> Sơ đồ chân của PWM nhƣ sau.<br /> <br /> Hình 1: Sơ đồ khối của một robot<br /> tự hành sử dụng FPGA<br /> <br /> Hệ thống này bao gồm cả hai phần cứng và<br /> phần mềm. Đầu ra của ADC đƣợc nối đến bộ<br /> xử lý trên kit FPGA và nó đã đƣợc sử dụng<br /> nhƣ là đầu vào của các mã nguồn. Ngôn ngữ<br /> sử dụng trong hệ thống này là VHDL.<br /> Bộ chuyển đổi ADC8-bit sử dụng trên<br /> kit FPGA<br /> <br /> Hình 2: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi ADC 8-bit<br /> <br /> Trong đó Vin là tín hiệu điện áp cần chuyển<br /> đổi (Input). Vref là tín hiệu điện áp so sánh<br /> (Input). Di là 8 bit đầu ra số của bộ ADC<br /> i=0,…,7 (Output). Ta lấy Vref=15 VDC làm<br /> điện áp so sánh. Với ADC 8 bit sẽ có 28=256<br /> trạng thái chạy từ 0000 0000 đến 1111 1111.<br /> Nhƣ vậy mỗi bƣớc tính tƣơng ứng là<br /> N=10/(256-1). Số 8 bits ra của bộ ADC sẽ là<br /> <br /> Hình 3: Bộ chuyển đổi ADC 8 bit xây dựng trên<br /> phần mềm Quartus II<br /> <br /> Hình 4: Sơ đồ chân của bộ chuyển đổi ADC<br /> <br /> n=Vin/N=Vin(256-1)/15=Vin(255/15)= Vin.17<br /> Điều chế độ rộng xung (PWM)<br /> Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse With<br /> Modulation) là một khâu quan trọng trong<br /> thiết kế robot. Sử dụng phƣơng pháp này<br /> chúng ta có thể điều khiển một cách linh hoạt<br /> cho motor DC từ đó có thể dùng các hàm vận<br /> tốc để cho robot bám theo vạch trắng. Module<br /> PWM có các nhiệm vụ nhƣ sau: Hỗ trợ các<br /> 14<br /> <br /> Hình 5: Sơ đồ khối của module PWM như sau<br /> <br /> Hệ thống bao gồm thanh ghi bộ đếm 8 bit,<br /> luôn đếm lên, và hai thanh ghi tham chiếu<br /> period và duty. Các thanh ghi này đƣợc ghi<br /> vào bởi một master. Tại sƣờn lên bộ đếm,<br /> duty match sẽ xảy ra trƣớc period match. Nếu<br /> thanh ghi duty lớn hơn thanh ghi period thì<br /> <br /> Bùi Tuấn Anh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 13 - 16<br /> <br /> xem nhƣ ngõ ra xung điều chế không đổi. Khi<br /> period match xảy ra, ngõ ra đƣợc đặt lên logic<br /> 1, đồng thời thanh ghi counter timer bị xóa.<br /> Khi duty match xảy ra, ngõ ra bị xóa về logic<br /> 0 và thanh ghi counter timer tiếp tục đếm đến<br /> period match. Để tránh hiện tƣợng max speed<br /> của bộ điều chế ta cho ngõ ra bằng 0.<br /> <br /> Hình 6: Bộ điều chế độ rộng xung ( PWM)<br /> xây dựng trên phần mềm Quartus II<br /> <br /> Hình 8: Mô phỏng Bộ điều chế độ rộng xung<br /> (PWM) xây dựng bằng ngôn ngữ VHDL<br /> <br /> Cách bố trí cảm biến trên robot<br /> Trong mạch này chúng tôi sử dụng 3 cặp thu<br /> phát hồng ngoại dò đƣờng. Khi cặp thu phát ở<br /> giữa chạm vạch trắng mức tín hiệu đƣa vào<br /> kit FPGA tƣơng ứng là R=101. Khi cặp thu<br /> phát bên trái chạm vạch trắng mức tín hiệu<br /> đƣa vào kit FPGA là R=011. Tƣơng tự khi cặp<br /> thu phát bên phải chạm vạch trắng thì tín hiệu<br /> đƣa vào FPGA sẽ là R=110. Sau đây là sơ đồ<br /> biểu diễn trạng thái hoạt động của robot.<br /> <br /> Hình 9: Mô phỏng bộ ADC xây dựng<br /> bằng ngôn ngữ VHDL<br /> Hình 7: Sơ đồ trạng thái hoạt động của robot<br /> <br /> KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC<br /> Chúng tôi sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng<br /> VHDL để xây dựng hệ điều khiển cho robot<br /> tự hành trên kit FPGA DE2 của Altera và<br /> thực hiện mô phỏng trên phần mềm Quartus<br /> II. Robot hoạt động ổn định tuy nhiên sự nhạy<br /> cảm với nhiễu còn tƣơng đối lớn. Trong các<br /> nghiên cứu tiếp theo chúng tôi sẽ tâp trung<br /> vào việc giảm ảnh hƣởng của nhiễu, tăng tính<br /> ổn định của hệ thống để có thể áp dụng trong<br /> thực tế.<br /> <br /> Hình 10: Mô phỏng của robot tự hành<br /> xây dựng bằng ngôn ngữ VHDL<br /> <br /> 15<br /> <br /> Bùi Tuấn Anh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 13 - 16<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> Hình 11: Hình ảnh robot tự hành xây dựng<br /> trên Board DE2 của ALTERA<br /> <br /> 1. Nguyễn Linh Giang, (2003)Thiết kế mạch bằng<br /> máy tính. Nxb KH&KT, Hà Nội.<br /> 2. Chris Lo. (2006) “Dynamic Reconfiguration<br /> Mechanism<br /> ForRobot<br /> Control<br /> Software”.<br /> Department<br /> of<br /> Electricaland<br /> Computer<br /> Engineering, University of Auckland, Auckland,<br /> New Zealand.<br /> 3. K. Sridharan and P. Rajesh Kumar. (2009)<br /> “Design and Development of an FPGA based<br /> Robot”.<br /> 4. Volnie A.Pedroni. (2004) “Circuit Design with<br /> VHDL”.MIT Press, Cambridge, Massachusetts,<br /> London, England.<br /> 5. Prabhas Chongstitvatana. (1998) “A FPGAbased Behavioral Control System for a Mobile<br /> Robot”.IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits<br /> andSystems,<br /> Chiangmai,<br /> Thailand,<br /> <br /> SUMMARY<br /> USE FPGA TO INTEGRATE SYSTEM CONTROL FOR MOBILE ROBOT<br /> Bui Tuan Anh*, Kim Đinh Thai<br /> College of Information and Communication Technology - TNU<br /> <br /> Autonomous robot or mobile robot , defined as a robotic vehicle capability of self-moving, selfmovement (programmable) under automatic control is able to complete assigned work. In theory,<br /> the operating environment of the self-propelled robot may be ground, water, air, space or<br /> combination between them. The surface of terrain on which the robot can move is flat or<br /> changeable, convex and concave. This project has been studied deeply applications FPGA to<br /> control for a Mobile Robot.<br /> Keyword: Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language (VHDL), Field<br /> Programmable Gate Array (FPGA), Very high speed Circuit Itergrated (VHSIC), mobile robot,<br /> Pulse-width modulation (PWM)<br /> <br /> Ngày nhận bài:25/01/2014; Ngày phản biện:10/02/2014; Ngày duyệt đăng: 26/02/2014<br /> Phản biện khoa học: TS. Phạm Đức Long – Trường ĐH Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN<br /> *<br /> <br /> Tel: 01692 478758, Email: btanh@ictu.edu.vn<br /> <br /> 16<br /> <br />