簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 林奕巡
Yi-shiun Lin
論文名稱: 以系統晶片實現機械臂影像運動控制
Vison-Based Robot Motion Control System by Using a SOPC System
指導教授: 施慶隆
Ching-Long Shih
口試委員: 李維楨
Wei-chen Lee
黃志良
Chih-Lyang Hwang
李文猶
Wen-yo Lee
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 系統晶片機械臂運動控制影像處理
外文關鍵詞: SOPC, Manipulator motion control, Image processi
相關次數: 點閱:233下載:6
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

本論文主要以系統晶片(SOPC) 為基礎研製機械臂之伺服運動控制。採用MATLAB實現影像彩色空間轉換、形態學運算、物體顏色形狀辨識分類、端點偵測。機械臂伺服系統控制中內包含兩部分,第一個部份是在晶片內以數位硬體電路實現訊號擷取與輸出控制訊號之功能,控制訊號由FPGA發展板送至馬達驅動電路驅動各軸馬達,共包含四倍頻寬解碼電路、極限開關訊號偵測、脈波寬度調變輸出、點到點運動控制,以硬體實現的原因是計算簡單且計算速度較快。第二部份是在 Nios II 微處理機內以軟體實現人機介面、反運動學計算、機械臂運動程序之控制。

最後,使用者能透過電腦端的人機介面來下達運動命令,配合影像處理進行物體顏色形狀辨識與井字遊戲,經由實驗結果驗證本論文所設計的系統晶片之有效性與正確性。


This thesis presents a SOPC-based servo motion control technique for the robot manipulator system. The system adopts MATLAB to perform image processing functions, such as the transformation of the color space, morphological operation, data classification of the object, the shape recognition and endpoint detection. For the servo motion control of the robotic system, it consists of two controller modules. The first one control module is consisted of quadrature encoder pulse circuits, limit switches detection, generation of pulse width modulation ,and point-to- point motion trajectory generator. Then, control signals are sent via FPGA to drive circuits for controlling each motor. The other module which includes a user interface and calculation of inverse kinematics, which is implemented via the NIOS II.

Finally, user can send commands via PC to perforem the shape recognition, data classification of the object’s color, and play tic-tac-toe games on the basis of image processing. The experimental results have demonstrated the effectiveness and validity of the proposed FPGA system applied on the servo motion control of the robot manipulator system.

第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 3 1.4 論文架構 4 第二章 系統架構 5 2.1 Altera DE2-70 發展板 5 2.2 NIOS處理器規劃 9 2.3 Micro-robot 88-5 機械臂 10 2.4 馬達驅動電路 12 2.5 影像裝置 13 2.6 MATLAB GUIDE人機介面設計 14 第三章 系統晶片設計與規劃 16 3.1 數位低通濾波器 16 3.2 光編碼器解碼電路 19 3.3 脈波寬度調變電路(PWM) 22 3.4 點到點運動軌跡產生器 23 3.5 數位PID控制器 30 3.6 正向運動學 32 3.7 反向運動學 34 第四章 電腦視覺與影像處理 37 4.1 影像擷取 37 4.2 色彩空間格式 38 4.3 平滑線性濾波 40 4.4 二值化 42 4.5 形態學(morphology) 43 4.6 目標物質心運算 47 4.7 物體顏色辨識 48 4.8 物體形狀辨識 50 4.9 輪廓偵測 52 4.10 端點偵測 54 第五章 實驗結果 56 5.1 單軸馬達控制 56 5.2 機械臂點到點空間運動 58 5.3 物體顏色形狀辨識 59 5.4 機械臂井字遊戲 62 5.5 FPGA資源分配 65 第六章 結論與建議 66 6.1 結論 66 6.2 建議 67 6.3 未來展望 68

【1】 F. J. Lin, D. H. Wang, and P. K. Huang, “FPGA-based Fuzzy Sliding-mode Control for a Linear Induction Motor Drive,” Proceeding of the
International Conference on Electrical Power Application, Vol. 152, No. 5, pp.1137-1148, September 2005.
【2】 Y. S. Kung, and G. S. Shu, “Development of a FPGA-based Motion Control
IC for Robot Arm,” Proceeding of the IEEE International Conference on
Industrial Technology, pp.1397-1402, 2005.
【3】 Monmasson E., Cirstea, M., "FPGA Design Methodology for Industrial Control Systems - A review," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 54, No. 4, August 2007.
【4】 Giuseppe Casalino, Fabio Giorgi, Alessio Turetta, and Andrea Caffaz, "Embedded FPGA-based Control of a Multifingered Robotic Hand," 2003 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Taiwan, 2003, pp 2786-2791.
【5】 X. Shao , D. Sun and J. K. Mills "A new motion control hardware architecture with FPGA-based IC design for robotic manipulators", Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., pp.3520 -3525 2006
【6】 Y. F. Chan , M. Moallem and W. Wang "Design and implementation of modular FPGA-Based PID controllers", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 4, pp.1898 -1906 2007
【7】 Giuseppe Casalino, Fabio Giorgi, Alessio Turetta, and Andrea Caffaz, "Embedded FPGA-based Control of a Multifingered Robotic Hand," 2003 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Taiwan, 2003, pp 2786-2791.
【8】 G. N. Desouza and A. C. Kak, “Vision for mobile robot navigation: a Survey,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 24, pp. 237-267, Feb. 2002.
【9】 J. H. Jean, T. P. Wu, J. H. Lai, and Y. C. Huang, “A visual servo system for object tracking applications of mobile robots based on shape features,” Proceedings of 2005 CACS Automatic Control Conference Tainan, Taiwan, Nov 18-19, 2005.
【10】 ALTERA, “Nios II Software Developer’s Handbook,” ALTERA Corporation,

【11】 NIOS Embedded Peripherals IP User Guide, ALTERA Corporation, 2003.
【12】 DE2 Development and Education Board User Manual, ALTERA Corporation, 2003.
【13】 廖英超,基於MATLAB軟體之機械臂影像伺服控制及應用,國立台灣科技大學電機工程系碩士學位論文,2010。
【14】 呂學德, “使用 FPGA 實現機械手臂運動控制器,” 碩士論文, 國立台灣科技大學電機工程研究所, 2004.
【15】 許哲誌, “關節型機械臂系統整合晶片之研製,” 碩士論文, 南台科技大學電機工程研究所, 2005.
【16】 鄭信源, “Verilog 硬體描述語言數位電路,” 儒林出版社, 2003.
【17】 鐘國亮, “影像處理與電腦視覺,” 東華書局, 2004.

【18】 廖裕評,陸瑞強,系統晶片設計-使用NIOS II,全華科技圖書股份有限公司,2007。
【19】 鄭羽伸,Verilog數位電路設計,儒林圖書有限公司,2008。
【20】 李顯宏,MATLAB 7.X 介面開發與編譯技巧,文魁圖書股份有限公司,2009。

QR CODE