[論文レビュー] FPGA-based Controller for a Mobile Robot

Shilpa Kale, S. S. Shriramwar|ArXiv.org|Aug 3, 2009

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、センサーフィードバックを用いたリアルタイム障害物検出および速度制御を可能にするFPGAベースの埋め込み制御装置を提示する。システムはFPGAを介してセンサー、アクチュエータ、無線通信を統合し、スケーラブルなロボティクスアプリケーションにおける迅速なプロトタイピングと再構成可能性を示し、モジュラーでハードウェアレベルの制御論理を備える。

ABSTRACT

With application in the robotics and automation, more and more it becomes necessary the development of applications based on methodologies that facilitate future modifications, updates and enhancements in the original projected system. This project presents a conception of mobile robots using rapid prototyping, distributing the several control actions in growing levels of complexity and computing proposal oriented to embed systems implementation. This kind of controller can be tested on different platform representing the mobile robots using reprogrammable logic components (FPGA). This mobile robot will detect obstacle and also be able to control the speed. Different modules will be Actuators, Sensors, wireless transmission. All this modules will be interfaced using FPGA controller. I would like to construct a mechanically simple robot model, which can measure the distance from obstacle with the aid of sensor and accordingly should able to control the speed of motor. I would like to construct a mechanically simple robot model, which can measure the distance from obstacle with the aid of sensor and accordingly should able to control the speed of motor.

研究の動機と目的

• 将来的なアップデートや強化をサポートする再構成可能なFPGAベースの制御システムの開発。
• センサーフィードバックを用いたリアルタイム障害物検出および動的スピード制御の実現。
• センサー、アクチュエータ、無線送信の複数のサブシステムを1つのFPGA制御プラットフォームに統合すること。
• 再構成可能な論理を用いた埋め込みロボティクスの迅速プロトタイピングの実現可能性の検証。
• 教育的および研究的応用に適した機械的に単純だが機能的に頑健なロボットモデルの提供。

提案手法

• リアルタイムのセンサーやアクチュエータ信号処理の中心制御装置としてフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を採用する。
• 障害物検出と制御応答のトリガーに、超音波または同等の距離センサーを用いる。
• FPGAベースのデジタル回路を用いてハードウェアレベルでモーター速度制御論理を実装し、低遅延応答を確保する。
• FPGAを介してインターフェースされる無線送信モジュールを統合し、リモート監視や制御を可能にする。
• 制御機能をモジュラーなハードウェアコンポONENTに分配することで、スケーラビリティと変更のしやすさを実現する。
• FPGAファブリック内でのセンサープロセッシング、意思決定論理、アクチュエータ制御の分離を図るモジュラーで階層的な設計アプローチを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAベースの制御装置は、モバイルロボット制御システムにおけるリアルタイム応答性をどのように向上させ得るか？
• RQ2 再構成可能なハードウェアを用いた埋め込みロボティクスシステムの迅速プロトタイピングの実現可能性はいかがなものか？
• RQ3 FPGAは、センサー、モーター、無線モジュールなどの多様なコンponentsを1つの制御プラットフォームに効果的に統合できるか？
• RQ4 機械的に最小限の構造を持つシンプルなロボットは、FPGAベースの論理を用いて信頼性の高い障害物検出および速度制御を達成できるか？
• RQ5 レイテンシーや信頼性の観点から、ソフトウェアベースの制御に比べてハードウェアレベル実装が持つ利点は何か？

主な発見

• FPGAベースの制御装置は、センサーフィードバックに応じたリアルタイム障害物検出および動的スピード調整を成功裏に実現した。
• モジュラーなハードウェア設計により、センサー、アクチュエータ、通信モジュールの統合と再構成が容易になった。
• 制御論理をハードウェアレベルで実装したことで、リアルタイムロボティクスに不可欠な低遅延応答を達成した。
• FPGAを用いた迅速プロトタイピングにより、完全なカスタムASIC製造を経ずに制御アルゴリズムの効率的開発とテストが可能になった。
• FPGAの再プログラミングにより、将来的な強化をサポートできるスケーラブルで保守性の高い制御装置であることが実証された。
• 基本的な機械的および電子的コンポONENTのみを用いても、障害物回避および速度制御タスクにおいて安定的かつ信頼性の高いロボット動作が達成された。