Implementation of quadruped robot's motion control on SoC FPGA

Καρακάσης, Χρυσόστομος; Karakasis, Chrysostomos

dc.contributor.author	Καρακάσης, Χρυσόστομος	el
dc.contributor.author	Karakasis, Chrysostomos	en
dc.date.accessioned	2019-05-21T08:58:45Z
dc.date.available	2019-05-21T08:58:45Z
dc.date.issued	2019-05-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48796
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16555
dc.rights	Default License
dc.subject	Ψηφιακή σχεδίαση	el
dc.subject	Τετράποδα ρομπότ	el
dc.subject	Ενσωματωμένα συστήματα	el
dc.subject	Συ-σχεδίαση λογισμικού και υλισμικού	el
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	FPGA	en
dc.subject	Quadruped robots	en
dc.subject	Embedded systems	en
dc.subject	SoC FPGA	en
dc.subject	Robotics	en
dc.title	Implementation of quadruped robot's motion control on SoC FPGA	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Παρόλο που τα πεδία της Ρομποτικής και των FPGA μπορεί να φαίνονται ασυσχέτιστα εκ πρώτης όψεως, η συνεργασία τους έχει τη δυνατότητα να οδηγήσει σε αξιοσημείωτα κατορθώματα, λαμβάνοντας υπόψιν τις ανάγκες του πρώτου πεδίου και τα προτερήματα του δεύτερου. Από την μια πλευρά, τα ρομπότ έχουν εξελιχθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια, ωθώντας τα όρια τους ακόμα παραπέρα και προσφέροντας νέες ευκαιρίες. Ωστόσο, καθώς οι στόχοι τους επεκτείνονται, το ίδιο συμβαίνει και για τις ανάγκες τους. Σήμερα, ο κινηματικός έλεγχος είναι ιδιαίτερα απαιτητικός σε πόρους και σε δεδομένα, ενώ ο αριθμός των ενσωματωμένων αισθητήρων σε ρομποτικές συσκευές συνεχώς αυξάνεται. Από την άλλη πλευρά, τα FPGA συνεχώς βελτιώνονται από την ημέρα της δημιουργίας τους, αποκτώντας μια εξέχουσα θέση στο πεδίο των Μέσων Ψηφιακής Σχεδίασης Κυκλωμάτων. Το χαμηλό τους κόστος σε συνδυασμό με την δυνατότητα τους για παράλληλη επεξεργασία, χωρίς να περιορίζονται σε μια αμετάβλητη διαμόρφωση, έχουν οδηγήσει στην αξιοποίησή τους σε πληθώρα εφαρμογών. Ταυτόχρονα, το μεγάλο πλήθος περιφερειακών που διαθέτουν, τα καθιστούν ιδανικά για την διαχείριση πολλών εξωτερικών σημάτων. Επομένως, μια πιθανή συνεργασία μεταξύ των δύο κλάδων φαντάζει ιδιαίτερα λογική, γεγονός που μας οδήγησε στην απόφαση να εξερευνήσουμε αυτή τη δυνατότητα, στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας. Συνοπτικά, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός κεντρικού συστήματος ελέγχου για το τετράποδο ρομπότ Λαίλαψ ΙΙ, αξιοποιώντας τη SoC αναπτυξιακή πλατφόρμα Zybo, που συγκροτείται από έναν επεξεργαστή ARM-Cortex A9 και ένα FPGA της οικογένειας Zynq-7000 από την Xilinx. Συγκεκριμένα, έπειτα από μια σύντομη εισαγωγή στα Τετράποδα ρομπότ και τα FPGA, στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται η FPGA πλατφόρμα, καθώς και το τετράποδο ρομπότ που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια, αναλύεται το υπεύθυνο υλισμικό για την διαχείριση των κινητήρων και των κωδικοποιητών, ενώ παρατίθενται τα αντίστοιχα διαγράμματα λειτουργίας, καθώς επίσης και πειράματα που επιβεβαιώνουν την ορθότητα τους. Κατόπιν, αναλύεται το λογισμικό κομμάτι του συστήματος, το οποίο είναι υπεύθυνο για την υλοποίηση του κινηματικού ελέγχου, καθώς επίσης και το AXI4-Lite πρωτόκολλο, με το οποίο επιτυγχάνεται η επικοινωνία του επεξεργαστή και του FPGA. Εν συνεχεία, στο κεφάλαιο 6 απεικονίζεται η ενοποίηση του συστήματος, μαζί με ορισμένες ηλεκτρονικές πλακέτες που κατασκευάστηκαν εξ ολοκλήρου για λόγους συνδεσιμότητας. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 περιλαμβάνεται η πειραματική αξιολόγηση του προτεινόμενου συστήματος, όπου επιτυγχάνεται ο κινηματικός έλεγχος του ρομπότ. Συμπεραίνοντας, το προτεινόμενο σύστημα καταφέρνει να διαχειριστεί όλα τα απαιτούμενα περιφερειακά του ρομπότ, προσφέροντας παράλληλα πλήρη λειτουργικότητα, σχετικά σύντομο χρόνο υλοποίησης, αλλά και προοπτική για επέκταση, σε ιδιαίτερα προσιτή τιμή. Συγκεκριμένα, στο τελευταίο κεφάλαιο, προτείνονται μερικές προτάσεις σχετικά με μελλοντικές αλλαγές και βελτιώσεις που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν εύκολα. Συνολικά, η δομή των κεφαλαίων σχεδιάστηκε με τέτοιο τρόπο, ώστε ακόμα και κάποιος με περιορισμένο υπόβαθρο στον προγραμματισμό υλισμικού ή στη Ρομποτική, να μπορεί εύκολα να κατανοήσει το περιεχόμενό τους.	el
heal.classification	FPGAs	en
heal.classification	Robotics	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-03-20
heal.abstract	Although the fields of Robotics and FPGAs may seem quite dissimilar at first glance, their collaboration has the potential to give birth to remarkable achievements, considering the former's necessities and the latter's assets. On the one hand, robots have evolved drastically over the years, pushing their boundaries even further, while presenting new opportunities. However, as their goals expand, so do their requirements. Nowadays, motion control is highly demanding, both in resources and data, while the number of sensors employed in robotic devices has been considerably increased. On the other hand, FPGAs have been constantly improving since their discovery, gaining a renowned place in the field of digital circuit implementation media. Their low cost in conjunction with their ability for parallel processing, without being limited to an immutable configuration, have led to their utilization in an abundance of applications. Simultaneously, the vast number of peripherals they are equipped with, renders them as ideal for the management of multiple external signals. Consequently, a possible cooperation between the two fields seemed only logical to us, and hence we decided to explore that possibility, in the context of this thesis. In summary, the development of a centralized control scheme for the quadruped robot Laelaps II is introduced, using a System-on-Chip that comprises an ARM-Cortex A9 processor and an FPGA of the Zynq-7000 Xilinx family, as part of the Zybo Development Board. Specifically, after a brief introduction to both Quadruped Robots and FPGAs, the utilized SoC FPGA platform and quadruped robot are presented, in chapter 3. Following, the hardware responsible for the management of the robot's encoders and motors is being thoroughly analyzed, while being accompanied by the respective block diagrams of the designs and experiments that prove their validity. Consequently, the software segment of the scheme is elaborated, responsible for the implementation of the motion control, along with the AXI4-Lite protocol, which handles the communication between the processor and the FPGA. Ultimately, the system's integration is illustrated in chapter 6, along with several custom made circuit boards that were manufactured for connectivity purposes. Lastly, an experimental evaluation of the proposed scheme is included in chapter 7, where the motion control of the robot is achieved. In conclusion, the proposed scheme manages to handle all I/O peripherals required, whilst providing full functionality, comparatively short development time, and potential for expansion, at a highly affordable cost. Namely, in the final chapter, numerous suggestions are being proposed concerning future modifications and enhancements that could be easily implemented. In general, the formulation of the chapters was composed in such a way that even someone with a limited background in Hardware programming or Robotics, can easily comprehend their content and concept.	en
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Πεκμεστζή, Κιαμάλ	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών. Εργαστήριο Μικροϋπολογιστών και Ψηφιακών Συστημάτων VLSI	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	87 σ.
heal.fullTextAvailability	true