李晨+王子健+常惠+陳景霞

摘要：智能運動系統(tǒng)屬于高度集成的智能機器人，文章設(shè)計了基于FPGA的智能運動系統(tǒng)。首先，文中介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計。其后，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，主要包括電源部分、動力部分、傳感器部分、視頻采集部分和無線傳輸部分。然后，在此基礎(chǔ)上編寫編程、仿真、調(diào)試。最后，通過測試，形成該智能運動系統(tǒng)的完整解決方案。

關(guān)鍵詞：FPGA；傳感器；智能小車；無線傳輸

中圖分類號：TP391.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0172-02

智能運動系統(tǒng)屬于智能機器人的一種，它具有集成度高，操作簡單，低功耗等特點，通過特定的設(shè)計，可以使該系統(tǒng)完成特定的功能。目前，關(guān)于智能運動系統(tǒng)的研究越來越被人們關(guān)注，在太空探測，軍事偵察，深海探礦等領(lǐng)域國內(nèi)外展開了廣泛的研究[1]。

國外在智能運動系統(tǒng)方面的研究起步較早，最初是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后來發(fā)展到太空探測、無人駕駛等方面，目前智能小車技術(shù)在國外比較成熟。國內(nèi)在運動系統(tǒng)方面的研究起步較晚，發(fā)展較為緩慢，相比而言在水下作業(yè)等方面取得了不錯的成果。但是與國外相比還有很大差距，而且關(guān)于民用的研究還有所不足，查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)的研究大多是利用單片機設(shè)計的運動系統(tǒng)[2][3]，對于無線傳輸部分采用藍牙[4]的方式居多。本設(shè)計在對比其他方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計在FPGA核心板上利用WIFI傳輸數(shù)據(jù)，以FPGA作為控制核心設(shè)計一款便于使用、升級和維護的智能運動系統(tǒng)，與其它方案相比具有傳輸穩(wěn)定，升級維護簡單，便于功能的擴展等優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX9芯片為核心作為控制芯片， 以智能小車作為運動系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)來設(shè)計的，通過手機、平板等移動設(shè)備或PC端作為控制終端，經(jīng)過WIFI傳輸指令來控制的小車的運行，同時搭載紅外傳感器與超聲測距模塊實現(xiàn)尋跡、測距、避障，小車在運行過程中通過攝像頭采集畫面，由WIFI信道傳遞到控制端，控制端接受到畫面顯示在終端設(shè)備上，操作人員可以根據(jù)小車返回的畫面控制小車的行動方向速度等。系統(tǒng)總體主要包括FPGA核心，電源模塊，電機驅(qū)動模塊，傳感器模塊，視頻采集模塊，wifi傳輸模塊以及控制和顯示模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源部分

運動系統(tǒng)采用可充電電池作為供電電源，為整個系統(tǒng)供能，電池置于車底。選取LM2596芯片為電源穩(wěn)壓芯片，該芯片具有發(fā)熱小、性能好、價格便宜等特點，支持3A驅(qū)動輸出。

2.2 動力部分

本系統(tǒng)配有兩路電機以及電機驅(qū)動，左右各一路。選取L298芯片作為電機驅(qū)動芯片，內(nèi)置雙路全橋驅(qū)動電路，驅(qū)動電流為2A，可以同時驅(qū)動兩路直流電機或者步進電機，與進口芯片相比，該芯片價格便宜，但性能上與進口芯片相比稍顯不足。電機控制采用FPGA輸出的PWM脈沖來控制車速，并通過控制左右電機的速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2.3 傳感器部分

本系統(tǒng)主要搭載了紅外壁障傳感器和接超聲波模塊。其中紅外避障傳感器通過NPN三極管輸出高低電平信號，無反射（黑線）/無障礙的情況下，默認(rèn)輸出高電平，有反射（非黑線）/有障礙時輸出低電平。通過檢測對應(yīng)IO口的高低電平狀態(tài)來判斷是否循著黑線/遇到障礙物，然后可以進行相應(yīng)的操作。超聲波模塊有一對圓筒狀的聲波信號收發(fā)裝置，其中一個是發(fā)射聲波，一個是接收聲波。超聲波在遇到障礙區(qū)時就會反射回來，我們通過計算從聲波發(fā)射到接收的時間就可以算出其本身到障礙物的距離，聲波傳輸速度為，聲波傳輸時間為，那么計算距離為：

式中聲波在空氣中傳播的速度為340m/s，由此計算可以得到距離。

2.4 視頻采集部分

通過攝像頭采集視頻圖像，將采集到的畫面?zhèn)鬟f給控制端，通過舵機來控制攝像頭的角度和方向。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，主要是由外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。舵機的工作原理是由FPGA發(fā)出信號給舵機，其內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回信號，判斷是否已經(jīng)到達預(yù)訂位置，一般舵機旋轉(zhuǎn)的角度范圍是0度到180度。

2.5 無線傳輸部分

無線傳輸部分采用MTK7620N芯片，高度集成了2.4GHz、2T2R的雙天線WLAN。該模塊預(yù)置open wrt固件，適配各系列驅(qū)動板，實現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能。WiFi信號傳輸符合國際標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n協(xié)議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK 和 QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無線熱點。支持 MIMO技術(shù)，最大連接速率可達 300Mbps。在FPGA主板搭載了一顆CH340G的USB轉(zhuǎn)TTL串口芯片，通過無線傳輸部分的Micro usb接口與FPGA主板相連，同時實現(xiàn)供電和串口通信。通信系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA的RX（接收）連接CH340的TX（發(fā)送），F(xiàn)PGA的TX（發(fā)送）連接CH340的RX（接收）。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計及調(diào)試

3.1 程序設(shè)計

文章中的FPGA程序在ISE14.4的開發(fā)環(huán)境中進行開發(fā)與調(diào)試，采用Verilog語言編寫程序，Verilog HDL是一種硬件描述語言，適用于從算法級、RTL級、門級到開關(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。采用自頂向下的設(shè)計方法，分別編寫了電初始化模塊、led燈顯示模塊、串口收發(fā)模塊、串口數(shù)據(jù)解析模塊、紅外傳感器模塊和超聲波模塊。通過頂層調(diào)用實例化形成整個系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

對整個系統(tǒng)進行調(diào)試測試：endprint

（1）打開電源測試各個模塊是否工作正常，查看控制端的視頻顯示情況。（2）通過控制端測試小車的運動情況，包括前進、后退、停止、轉(zhuǎn)向、加速、減速等。（3）控制攝像頭的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)各個角度的畫面拍攝。（4）通過傳感器實現(xiàn)尋跡避障測距等功能。

經(jīng)過多次調(diào)試，實現(xiàn)了上述功能。

4 結(jié)語

本設(shè)計以FPGA為核心，結(jié)合外圍電路與各功能模塊，構(gòu)成了高度集成化的智能運動系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了畫面采集傳輸，可視化的移動控制，并且實現(xiàn)了智能尋跡、避障、測距等功能。可以實現(xiàn)環(huán)境勘測，實時移動監(jiān)控，以及在惡劣環(huán)境下工作的任務(wù)。本設(shè)計同時為智能運動系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種思路。

參考文獻

[1]劉曦愷.智能機器人的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢研究[J].科技風(fēng)，2015，（18）：14-14.

[2]杜云，魏雅.基于單片機的智能小車設(shè)計制作與應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2016，（1）：67-68.

[3]郗海東，許江淳，李玉惠，王晴. 基于單片機的自主移動智能小車系統(tǒng)的設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014，（03）：72-75.

[4]魏雅.基于藍牙控制的循跡智能小車的設(shè)計與研究[J].自動化與儀器儀表，2016，（4）：88-89.

Abstract：Intelligent motion system is a highly integrated intelligent robot. This paper designs an intelligent motion system based on FPGA. First， the paper introduces the overall design of the system. Then， the hardware structure of the system is designed， which mainly includes the power part， the driver part， the sensor part， the video acquisition part and the wireless transmission part. Then， on this basis， the program design， simulation and debugging. Finally， through the test， the formation of the intelligent motion system complete solution

Key Words：FPGA；Sensor；intelligent system；wireless transmissionendprint