FPGA tabanlı 5 eksenli mobil robot tasarımı ve gerçeklenmesi

Abstract

Bu çalışmada, mobil bir aracın üzerine monte edilmiş 5 eksenli bir robot kolu ile cisimleri bir ultrasonik sensor aracılığı ile tanıyıp boyutlarına göre ayırt edebilen bir mobil robot kolu sistemi gerçeklenmiştir. Ultrasonik sensordan alınan veriye göre mobil aracın hız ve konum kontrolü ile robot kolunun konum kontrolüne ait sayısal tasarım tek bir FPGA yongası üzerinde gerçeklenmiştir. Mobil robot kolu üzerindeki DC motor ve DC-servo motorların sürücü devreleri ayrıca tasarlanarak, motorların hız ve konum kontrolü yine VHDL kodu ile oluşturulan PWM kontrol sinyalleri aracılığıyla sağlanmıştır. Bu çalışmada PWM sinyallerini üretmede frekans bölme tekniği kullanılmıştır. FPGA tabanlı tasarımların tasarımcıya sunduğu paralel işlem yapabilme yeteneği sayesinde, mobil robot kolu üzerindeki ünitelerin durumları aynı anda kontrol edilebilmektedir. VHDL ile oluşturulan tasarım kodu Xilinx ISE tasarım platformu aracılığı ile sentezlenerek, donanımın çalışması Modelsim benzetim programı aracılığıyla doğrulanmıştır. Daha sonra, yapılan tasarım Spartan?3 FPGA geliştirme kiti üzerinde gerçeklenmiştir. FPGA geliştirme kiti, gerçeklenen mobil robot donanımının bir parçası olarak mobil platform üzerine monte edilmiştir. Mobil robot kolunun beklenen tüm işlevlerini sorunsuz bir şekilde yerine getirdiği deneysel olarak da gözlenmiştir. Ayrıca, tasarımın literatürdeki benzer robot kolu tasarımları ile karşılaştırması yapılmıştır.

In this study, A mobile 5-DOF robot arm, which can distinguish objects according to their dimensions using an ultrasonic sensor module is designed and implemented. Digital hardware design of speed and position control of the vehicle carrying the robot arm and the position control of the robot arm are implemented on a single FPGA chip. The driver circuits of the DC motors and the RC motors mounted on the mobile robot arm system are also realized, and the motor speed and position controls are handled through the PWM signals obtained by a specific VHDL module. Frequency division technique is used to produce the PWM signals. The concurrent controls of the units mounted on the arm are possible due to parallel execution ability offered by FPGA based designs. The Modelsim program is used for VHDL code simulations. Then, the real FPGA implementations are done on a Spartan-3 FPGA evaluation board using Xilinx ISE tools. This evaluation board is also mounted on the vehicle platform as a part of the mobile robot arm system. The test results show that the robot arm is able to accomplish all expected functions successfully. Finally, the designed robot arm is also compared to similar ones exist in the literature.