Motivation

Mit mobilen, autonomen Minirobotern können verschiedenste Experimente im verkleinerten Maßstab kostengünstig ausgeführt werden. Jedoch ist es notwendig, die Roboter mit leistungsfähiger und flexibel einsetzbarer Rechenleistung auszustatten, so dass komplexe Algorithmen ausgeführt und unterschiedliche Sensorsysteme in den Roboter integriert werden können sowie Netzwerke von kooperierenden Robotern möglich werden.

Daher wurde ein flexibel einsetzbares Hardwareerweiterungsmodul entwickelt, welches als zentralen Baustein ein FPGA (FPGA = Field Programmable Gate Array) enthält.

Technische Beschreibung

Das FPGA-Modul kann sowohl auf dem Miniroboter Khepera als auch als Einzelhardware genutzt werden. Auf dem Roboter genutzt, tauscht das Modul Daten über den K-Bus mit dem Roboter-Basismodul aus. Durch Vergabe einer Modul-ID können theoretisch mehr als 60 Module übereinander gesteckt und parallel betrieben werden.

Über einen High-density-Stecker können weitere Zusatzmodule auf das FPGA-Modul aufgesteckt werden, um beispielsweise Sensor- und Kommunikationsodule anzusteuern und Daten entgegenzunehmen. Daten werden auf dem FPGA-Modul zentral in einem FPGA verarbeitet. Dieser Baustein übernimmt auch parallel die Ansteuerung externer Hardware. Für die Speicherung von anwendungsspezifischen Daten und Konfigurationen für das FPGA befindet sich sowohl nichtflüchtiger FLASH-Speicher als auch SRAM auf dem Modul

Der FLASH-Speicher kann über eine serielle Verbindung aber auch über das Basismodul des Roboters gelöscht und beschrieben werden. Die Hauptkomponenten des Moduls sind:

• FPGA Xilinx XCV300E-6FG256 (1536 CLBs, 128kbit Block RAM, 40 MHz)
• 512k x 16 Bit SRAM
• 4M x 8 Bit Flash-Speicher
• 28 IO-Verbindungen für Zusatzhardware
• Im System programmierbar (über PC serielle Verbindung, Roboter-Basismodul, Funk)

Anwendungsszenarien

Das FPGA-Modul kann einerseits genutzt werden, um die Rechenleistung des Roboterangesteuert werden, um z. B. die sensorischen Fähigkeiten des Roboters zu erweitern. Zum anderen kann das FPGA-Modul zusammen mit einem 2DBildsensor genutzt werden, um dem Roboter beispielsweise eine sichtgestützte Navigation zu ermöglichen. Eine andere Anwendung ist die sektororientierte Kommunikation über Infrarot (IR) durch Kopplung mit einem IR-Modul, womit sich mobile ad-hoc Netzwerke realisieren lassen.

Durch eine Umkonfiguration des FPGAs während des Betriebs des Roboters in wenigen Millisekunden können optimierte Algorithmen in einer Anwendung ressourceneffizient zur Laufzeit bereitgestellt werden.

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 Projektbeschreibung (PDF, 155 KB)

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