Projecte realitzat en el marc d’un programa de mobilitat amb la École Polytechnique Fédérale de Lausanne

[ANGLES] The salamander robot is an amphibious robot developed at EPFL Biorobotics Lab. It is capable of swimming and walking, and its movements are very close to the ones of a real salamander. The robot is composed of nine independent modules connected together with a bus carrying power and communication signals. Each module has several motors, to perform the salamander-like movements, and a microcontroller that drives them and receives orders. One of the goals to improve the robot is a 3D vision system, which would give it the ability to “see”, using two cameras. The cameras obtain information from the environment and, using image processing techniques, the robot can react accordingly, for example, follow a path, avoid an obstacle or catch a prey. The project is developed at the Processor Architecture Laboratory due to their expertise with FPGAs, key for real-time image processing. The 3D vision system consists of four boards connected together and battery-powered. The first board has all the voltage regulators that power the different parts of the system and a battery management circuit. The second board has an FPGA and a DDR2 memory for the image processing and global system control, apart from the configuration circuit for the FPGA. The third board includes several transceivers for different interfaces: a CAN bus to communicate with the other robot modules, a wireless transceiver to program the FPGA remotely, and an A/D converter to process data from external sensors (if needed), among others. The fourth board has two black-and-white cameras. The size of all the boards when stacked together, including the battery, fits perfectly in one of the plastic modules that compose the robot. The goal of the present project was to make the 3D vision system to work. Due to previous and not identified problems at the beginning of this project, the power board needed to be redesigned. Thus the specific goal of this project was to design and construct a new and improved power board with higher reliability. To this end, previous designs were investigated and a power budget was created with information from all the components on the boards. It was decided to keep some parts unchanged and replace others for new ones. All the voltage regulators were simulated to be sure they would work properly. Capacitors and inductors were selected carefully to improve the reliability of the design. Among with other improvements, a small control circuit was added. The PCB layout was designed to handle high currents and reduce the noise produced by switching regulators. After soldering the components, the power board was tested consciously to make sure that the regulators could supply the expected current with no troubles. Even currents above the estimated consumption were tested with external loads. When the board was finished, it was connected to the other three boards and checked that the supply voltages were stable and operating successfully. Then, it was checked that the FPGA configuration could be downloaded correctly and that a softcore processor worked suitably. Finally, the DDR2 memory was tested. In conclusion, the hardware is finished and works properly. The system is ready to be used and to programme the FPGA with the interfaces for all the modules of the system and test whether they operate well, especially the DDR2 memory.

[CASTELLÀ] El robot salamandra es un robot anfibio desarrollado en el Laboratorio de Biorobótica de la EPFL. Es capaz de nadar y caminar, y sus movimientos son muy parecidos a los de una salamandra real. El robot está constituido por nueve módulos independientes conectados entre ellos por medio de un bus de alimentación y comunicaciones. Cada módulo contiene varios motores (para poder realizar los movimientos parecidos a los de una salamandra) y un microcontrolador que los gestiona y recibe instrucciones. Uno de los aspectos a mejorar del robot consiste en un sistema de visión en tres dimensiones, que le permitiría “ver”, usando dos cámaras. Las cámaras obtienen información del entorno y, usando técnicas de procesado de imagen, el robot puede reaccionar según sea conveniente, por ejemplo, seguir un camino, evitar un obstáculo o cazar una presa. El proyecto se lleva a cabo en el Laboratorio de Arquitectura de Procesadores debido a su conocimiento de las FPGAs, clave para poder efectuar un procesado de imagen a tiempo real. El sistema de visión 3D consiste en cuatro placas conectadas entre ellas y alimentadas con una batería. La primera placa tiene todos los reguladores de tensión que alimentan las diferentes partes del sistema y un circuito de control de la batería. La segunda placa tiene una FPGA y una memoria DDR2 para el procesado de imagen y control global del sistema, aparte del circuito de configuración de la FPGA. La tercera placa incluye varios transceptores para diferentes interfaces: para el bus CAN para comunicarse con los otros módulos del robot, un transceptor inalámbrico para programar la FPGA a distancia y un conversor A/D para procesar datos de sensores externos (si es necesario), entre otros. La cuarta placa tiene dos cámaras en blanco y negro. El tamaño de todas las placas cuando están conectadas entre ellas, incluyendo la batería, cabe perfectamente en uno de los módulos de plástico que conforman el robot. El objetivo del presente proyecto fue conseguir que el sistema de visión 3D funcionase. Debido a problemas anteriores al inicio del proyecto, la placa de alimentación no funcionaba. Por lo tanto, el objetivo concreto del proyecto fue diseñar una nueva placa mejorada y con mayor fiabilidad. Para la placa de alimentación, se analizaron los diseños anteriores y se realizó una estimación del consumo de cada parte del circuito en base a la información de los componentes de cada placa. Se decidió mantener algunas partes y cambiar otras. Todos los reguladores de tensión fueron simulados para asegurarse que funcionarían una vez montados. Los condensadores e inductores se seleccionaron cuidadosamente para mejorar la fiabilidad del diseño. Asimismo, entre otras mejoras, se añadió un pequeño circuito de control. El diseño del circuito impreso se realizó teniendo en cuenta que tenía que soportar corrientes elevadas y también minimizar el ruido producido por los reguladores conmutados. Después de soldar los componentes, se probó la placa de alimentación rigurosamente para asegurar que podía suministrar la corriente esperada sin problemas, incluso se probaron corrientes por encima del consumo esperado mediante cargas externas. Cuando se hubo acabado la placa se alimentación, se conectó a las otras tres placas y se verificó que las salidas de los reguladores de tensión eran estables y funcionaban correctamente. Después, se comprobó que la configuración de la FPGA se podía descargar correctamente y que un procesador softcore operaba como era esperado. Finalmente, se probó la memoria DDR2. En conclusión, el hardware descrito anteriormente funciona correctamente. El sistema está preparado para ser usado y para programar la FPGA con las interfaces para todos los módulos del sistema y probar si funcionan bien, especialmente la memoria DDR2.

[CATALÀ] El robot salamandra és un robot amfibi desenvolupat al Laboratori de Biorobòtica de l'EPFL. És capaç de nedar i caminar, i els seus moviments són molt semblants als d'una salamandra real. El robot està format per nou mòduls independents connectats entre ells gràcies a un bus d'alimentació i comunicacions. Cada mòdul té diversos motors, per a realitzar els moviments similars als d'una salamandra, i un microcontrolador que els gestiona i rep instruccions. Un dels aspectes per millorar el robot consisteix en un sistema de visió en tres dimensions, que li donarà la capacitat de “veure-hi”, usant dues càmeres. Les càmeres obtenen informació de l'entorn i, fent servir tècniques de processament d'imatge, el robot pot reaccionar segons les necessitats, per exemple, seguir un camí, evitar un obstacle o caçar una presa. El projecte es porta a terme al Laboratori d'Arquitectura de Processadors gràcies al seu coneixement de les FPGAs, clau per a poder realitzar un processament d'imatge a temps real. El sistema de visió 3D consisteix en quatre plaques connectades entre elles i alimentades amb una bateria. La primera placa té tots els reguladors de tensió que alimenten les diferents parts del sistema i un circuit de control de la bateria. La segona placa té una FPGA i una memòria DDR2 per al processat d'imatge i control general del sistema, a més del circuit de configuració de la FPGA. La tercera placa inclou diversos transceptors per a diferents interfícies: pel bus CAN per a comunicar-se amb els altres mòduls del robot, un transceptor sense fils per a programar la FPGA remotament i un convertidor A/D per processar dades de sensors externs (si és necessari), entre altres. La quarta placa té dues càmeres en blanc i negre. La mida de totes les plaques quan estan connectades entre elles, incloent la bateria, cap perfectament en un dels mòduls de plàstic que conformen robot. L'objectiu del present projecte ha estat fer funcionar el sistema de visió en 3D. Degut a problemes anteriors a l'inici d'aquest projecte, la placa d'alimentació no funcionava. Per tant, l'objectiu concret del projecte va ser dissenyar una nova placa millorada i amb major fiabilitat. Per a la placa d'alimentació, es van analitzar dissenys anteriors i es va realitzar una estimació del consum de cada part del circuit en base a la informació dels components de cada placa. Es va decidir mantenir algunes parts i canviar-ne d'altres. Tots els reguladors de tensió es van simular per assegurar-se que funcionarien. Els condensadors i inductors es van seleccionar amb deteniment per millorar la fiabilitat del disseny. Així mateix, entre altres millores, s'hi va afegir un petit circuit de control. El disseny del circuit imprès es va realitzar tenint en compte que havia de suportar corrents elevats i també per minimitzar el soroll produït pels reguladors commutats. Després de soldar els components, es va provar la placa d'alimentació rigorosament per a estar segurs que podia subministrar el corrent esperat sense problemes, fins i tot es van provar corrents per sobre del consum esperat mitjançant càrregues externes. Quan es va haver acabat la placa d'alimentació, es va connectar a les altres tres plaques i es va verificar que les tensions d'alimentació eren estables i funcionaven correctament. Després, es va comprovar que la configuració de la FPGA es podia descarregar correctament i que un processador softcore operava adequadament. Finalment, es va provar la memòria DDR2. En conclusió, el hardware descrit anteriorment funciona correctament. El sistema està preparat per a ésser usat i per programar la FPGA amb les interfícies per a tots els mòduls del sistema i provar si funcionen bé, especialment la memòria DDR2.