● 摘要
蟑螂能够在复杂的环境中快速、灵活的行走，是因为其特殊的环境信息摄取和处理机制。蟑螂有视觉、触觉、味觉、嗅觉等传感功能，如何快速，准确的采集这些传感信息，并且经过实时的处理提取出环境特征信息是智能机器蟑螂的研究重点。本文在分析现有传感器信息采集和处理系统的基础上，结合机器蟑螂的运动控制，提出了基于FPGA的多传感信息采集和处理系统。FPGA因其内部资源丰富、定制灵活及处理速度高，是未来处理系统的发展方向。首先，为了验证机器蟑螂运动学算法和步态算法的正确性，本文搭建了基于AVR单片机的机器蟑螂实验平台，并且基于PC开发了机器蟑螂的控制软件。控制软件能够对单腿2-DOF、单腿3-DOF机器蟑螂进行关节空间和任务空间控制。接着根据机器蟑螂信息处理量大的需求，选定了一款资源比较丰富的FPGA芯片，并完成了基于EP2C35的硬件电路设计和各个功能模块的逻辑设计。随后通过QuartusII的SOPC_builder工具定制NiosII软核作为传感信息处理核心。在复杂环境下，蟑螂的触须起着举足轻重的作用。本文针对蟑螂这种特性，设计并制作了基于PSD光敏元件的触须传感器。本文设计的触须传感器相比以往触须传感器，结构简单，加工和连接方便，并且精度有所提高。在信号调理方面，用数字信号调理电路代替以往的模拟调理电路，这样不仅消除了模拟电路温漂、噪声等带来的影响，而且大大的节约了成本。最后，本文研究了如何利用触须传感器实现避障行走，并提出了两种算法。当机体碰到墙时，触须传感器可以得到末端位移量，再利用一维激光获取机体的前进量，通过本文研究的两种算法可以得到机体与墙之间的角度，上位机可以利用此角度实现机器蟑螂的导航和避障。经过实验对比，第二种算法精度高于第一种算法。