肖揚，侯智

（南京信息工程大學(xué)，江蘇南京，210000）

0 引言

可重構(gòu)機(jī)器人市場是一個非常具有前景的市場，未來幾年內(nèi)，全球可重構(gòu)機(jī)器人市場規(guī)模將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢。可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)可以在不同的任務(wù)中靈活地重構(gòu)機(jī)器人的行為，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。未來，可重構(gòu)機(jī)器人將被廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，包括制造業(yè)、醫(yī)療保健、物流、農(nóng)業(yè)等。面對諸如災(zāi)難廢墟現(xiàn)場搜救、生化污染環(huán)境作業(yè)、排爆排險等場景，一個能靈活應(yīng)對復(fù)雜未知環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)代替人類進(jìn)入未知環(huán)境能有效降低探索任務(wù)的危險性和成本。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人不針對特定應(yīng)用而設(shè)計，可根據(jù)不同任務(wù)和環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的構(gòu)型，可以應(yīng)對更加復(fù)雜多變的環(huán)境中的各種任務(wù)。本設(shè)計重點研究模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)實場景的關(guān)鍵技術(shù)，旨在開發(fā)一個能自主工作于動態(tài)開放環(huán)境中的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)。

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）FPGA 控制的電路準(zhǔn)確性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗較低，本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)以及攝像頭均由FPGA 控制并且實現(xiàn)功能。另外，F(xiàn)PGA 開發(fā)板預(yù)留的接口還可以拓展小車的功能。

1 方案設(shè)計

考慮到本系統(tǒng)的涉及功能較多，資源占用量較大，以及硬件邏輯設(shè)計的必要性，本系統(tǒng)的硬件部分由兩塊FPGA 開發(fā)板構(gòu)成，該系統(tǒng)結(jié)合攝像頭、6 自由度機(jī)械臂、溫度傳感器、超聲波傳感器、環(huán)境光傳感器等多傳感器融合圖像處理算法、機(jī)械臂路徑規(guī)劃算法，通過Robei EDA 工具進(jìn)行設(shè)計與基礎(chǔ)仿真驗證，同時具有無線手動控制、無線自動控制、物體抓取、物體分類、音頻狀態(tài)播報、高溫狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境突發(fā)狀態(tài)干涉、環(huán)境光數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能。

采用Robei 八角板作為小車FPGA 開發(fā)板之一，其搭載Xilinx Zynq-7010/7020 FPGA 芯片（內(nèi)置Cortex-A9 雙核CPU），可以用于系統(tǒng)設(shè)計、IC 驗證、系統(tǒng)控制、云計算等用途。

小車第二塊FPGA 開發(fā)板的主控芯片為EP4CE10F17C8N，開發(fā)板擴(kuò)充了豐富的接口和功能模塊，其主要負(fù)責(zé)小車攝像頭算法運行。如圖1 所示為本系統(tǒng)方案總體結(jié)構(gòu)，主要包含由機(jī)械臂和麥克薩姆輪等組成的機(jī)械層、HDMI 屏幕、串口屏等組成的顯示層以及攝像頭、各類傳感器組成的數(shù)據(jù)采集層。另外，小車還配備了通信模塊。

圖1 方案總體結(jié)構(gòu)

圖2 為小車整體視圖，機(jī)械結(jié)構(gòu)包含六自由度機(jī)械臂、四個麥克薩姆輪以及金屬框架，本設(shè)計可以保證小車運行的穩(wěn)定性。

圖2 小車整體視圖

2 數(shù)據(jù)采集層

■2.1 OV5640 攝像頭控制

OV5640 攝像頭模塊負(fù)責(zé)采集外部場景信息，傳送至FPGA 開發(fā)板中進(jìn)行處理，最終得到可靠外部信息，將外部環(huán)境傳輸至HDMI 顯示屏，同時可以根據(jù)外部環(huán)境的不同向從機(jī)傳送指令，如周圍環(huán)境太黑則開啟車燈、前方有障礙則進(jìn)行避障，從機(jī)進(jìn)行執(zhí)行。在OV5640 攝像頭中加入了相應(yīng)的算法模塊，從機(jī)將會根據(jù)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行處理，將會對攝像頭采集畫面中的顏色凸出部分（如紅綠藍(lán)等）進(jìn)行框選，識別出圖像中的目標(biāo)點，減輕了探測作業(yè)時的尋找難度。OV5640 采用標(biāo)準(zhǔn)的SCCB 接口，兼容I2C 接口。如圖3 為SCCB 寫傳輸協(xié)議的時序示意圖，包括起始位、器件地址+讀/寫、寫16 寄存器地址、寫數(shù)據(jù)和停止位，“X”為不必關(guān)心位，無需關(guān)心其數(shù)據(jù)為多少。

圖3 寫傳輸協(xié)議

■2.2 SU-03T 語音播報模塊

該模塊一共有8 個I/O 接口，1 路串口Tx、Rx，1 路傳感器接口。I/O 口1-6 可以輸出PWM 信號，I/O7、I/O8 不能輸出PWM 信號。

它用于播放語音，與本系統(tǒng)配備的語音識別模塊進(jìn)行人機(jī)交互，可以用來播報小車自身狀態(tài)是否正常以及各傳感器的數(shù)據(jù)。模塊采用UART 協(xié)議與FPGA 通信，1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位，通信波特率為9600bps，對于漢字采用GBK 編碼，對于英文或數(shù)字采用ASCII 碼。

■2.3 讀卡模塊

小車讀卡模塊與藍(lán)牙模塊相關(guān)聯(lián)，當(dāng)IC 卡插入時，讀卡模塊通過FPGA 向藍(lán)牙模塊發(fā)送信號，藍(lán)牙模塊向手機(jī)端APP 發(fā)送預(yù)設(shè)信息以顯示讀卡是否成功。此功能用于使用者的身份識別。圖4 為本設(shè)計所使用的讀卡模塊。

圖4 讀卡模塊

■2.4 LM75A 溫度傳感器

LM75A 溫度傳感器準(zhǔn)確度高，通常誤差不高于0.5 攝氏度，在本系統(tǒng)中用來檢測小車所處環(huán)境的溫度。圖5 為LM75A 的功能框圖，LM75A 是一種數(shù)字接口（I2C）的溫度傳感器，LM75A 內(nèi)置帶隙溫度傳感器和 Σ-△模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。LM75A 也是一個溫度檢測器，可提供一個過熱檢測輸出。

圖5 LM75A 功能框圖

LM75A 內(nèi)包含許多數(shù)據(jù)寄存器：配置寄存器，用來存儲器件的某些配置，如器件的工作模式；溫度寄存器，用來存儲讀取的數(shù)字溫度；設(shè)定點寄存器，用來存儲可編程的過熱關(guān)斷和滯后限制。器件通過2 線的串行I2C 總線接口控制器通信。

■2.5 環(huán)境光傳感器

環(huán)境光傳感器配合AD 轉(zhuǎn)換模塊可以較為準(zhǔn)確地得到小車所處環(huán)境的光照情況。小車采用的光敏電阻傳感器模塊是用硫化鎘半導(dǎo)體材料制成的電阻器。當(dāng)光照強(qiáng)度升高時，電阻的阻值迅速降低。由內(nèi)光電效應(yīng)可知，當(dāng)有光照到此電阻器時，光照可以產(chǎn)生載流子，這些載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子向電源的正極運動，空穴向電源的負(fù)極運動，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。在無光照的條件下，電阻器幾乎呈高阻狀態(tài)，此時的電阻阻值很大。

■2.6 HC-SR04 超聲波傳感器

超聲波傳感器在本系統(tǒng)中主要用來實現(xiàn)小車的避障功能。HC-SR04 超聲波傳感器采用IO 觸發(fā)測距，圖6 為超聲波傳感器時序圖，F(xiàn)PGA 給傳感器至少10μs 的高電平信號；傳感器自動發(fā)送8 個40kHz 的方波，自動檢測是否有信號返回；如果有信號返回則通過IO 輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。

圖6 超聲波傳感器時序圖

■2.7 雨滴檢測傳感器

雨滴檢測傳感器可以用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境是否下雨，并通過AD 轉(zhuǎn)換模塊來檢測當(dāng)前雨量大小，方便為機(jī)器人下一步行動做規(guī)劃。

3 機(jī)械層

■3.1 機(jī)械臂驅(qū)動總控制

機(jī)器人配備了六自由度機(jī)械臂，可以完成較多動作，在實際的應(yīng)用中面對錯綜復(fù)雜的情況以及不可逾越的障礙時，提供了更多的解決思路，能夠靈活適應(yīng)工作場景，代替救援人員進(jìn)入危險場景進(jìn)行工作。

機(jī)械臂使用UART 通信協(xié)議與FPGA 通 信，圖7 為UART 時序圖，本系統(tǒng)機(jī)械臂使用的UART協(xié)議是8 位數(shù)據(jù)傳輸，無校驗位。舵機(jī)采用UART 異步串行接口進(jìn)行時序控制，實現(xiàn)半雙工異步串行總線通訊，通訊波特率為115200bps。

圖7 UART 時序圖

■3.2 I2C 控制電機(jī)驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)使用I2C 總線來實現(xiàn)FPGA 對麥克薩姆輪的驅(qū)動。圖8為本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動模塊框圖，包含iic_w_top 和iic_write 兩個模塊。iic_w_top 模塊控制“iic_write”：實現(xiàn)3 次I2C 數(shù)據(jù)寫入。第一次寫入電機(jī)類型數(shù)據(jù)。第二次寫入電機(jī)極性數(shù)據(jù)。第三次寫入電機(jī)速度、方向數(shù)據(jù)。iic_write 則通過I2C 協(xié)議寫入數(shù)據(jù)。

圖8 電機(jī)驅(qū)動模塊框圖

4 顯示層

■4.1 HDMI 圖像顯示控制

HDMI 是一種符合高清時代標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化視頻/音頻接口技術(shù)，能高品質(zhì)地傳輸未經(jīng)壓縮的高清視頻和多聲道音頻數(shù)據(jù)。

圖9 為HDMI 顯示設(shè)計框圖，下面分別對各個模塊進(jìn)行介紹。

圖9 HDMI 顯示設(shè)計框圖

HDMI_SYNC：行場計數(shù)模塊：用于產(chǎn)生：CounterX（一行像素點計數(shù)器）CounterY（一幀行計數(shù)器）、DrawArea（顯示區(qū)域標(biāo)志）、Sync[1:0]：場、行非顯示區(qū)域標(biāo)志。

HDMI_SHOW：在DrawArea（顯示區(qū) 域標(biāo)志）接 收要發(fā)送的RGB 數(shù)據(jù)，將RGB 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成R、G、B 分別為8bit，共24bit 數(shù)據(jù)，發(fā)送給相應(yīng)的TMDS_encoder 模塊。

TMDS_encoder：根 據(jù)DrawArea（顯示區(qū) 域標(biāo)志）Sync[1:0] ：場、行非顯示區(qū)域標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼（固定IP 核功能）。分為：DrawArea（顯示區(qū)域標(biāo)志）為高時，處于顯示區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)編碼。DrawArea（顯示區(qū)域標(biāo)志）為低時，處于非顯示區(qū)域時的控制數(shù)據(jù)編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給HDMI_TMDS 模塊。

HDMI_TMDS：接收來 自TMDS_encoder 的R、G、B 分別為10 位的編碼數(shù)據(jù)。并/串轉(zhuǎn)換：將數(shù)據(jù)由并行的10 位數(shù)據(jù)，進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換為1 位數(shù)據(jù)，逐個發(fā)送給相應(yīng)的OBUFDS，發(fā)送10 次。

OBUFDS：接受來自HDMI_TMDS 的數(shù)據(jù)，進(jìn)行差分操作：輸入為A，輸出為A，～A。并將數(shù)據(jù)傳遞到相應(yīng)的HDMI 接口。

■4.2 串口屏顯示

串口屏具有使用方便、維護(hù)輕松的特點，可以顯示更多、更直觀的信息，如漢字、曲線、圖片等。串口屏在本系統(tǒng)中主要用來顯示各個傳感器的數(shù)據(jù)，串口屏通過RS232 串口與FPGA 進(jìn)行交互。FPGA 可以發(fā)送指令控制串口屏顯示不同的界面和數(shù)據(jù)，從而更直觀地了解當(dāng)前工作環(huán)境的各項數(shù)據(jù)。

5 通信模塊

■5.1 SPI 手柄控制

小車配備了遙控手柄接收器，實時接受手柄信號實現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動以及控制機(jī)械臂實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、抓取物體。手柄控制使用的是SPI 通信協(xié)議，能夠控制小車完成直線前進(jìn)、后退、左右平移等動作，在實際的應(yīng)用中面對各種各樣的地形，小車都能夠保證一定的移動能力，更好地執(zhí)行任務(wù)。圖10 為手柄和接收器。

圖10 手柄和接收器

■5.2 藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)使用的ATK-BLE01_V1.9 是一款支持藍(lán)牙 4.2 協(xié)議的低功耗數(shù)傳模塊，無線工作頻率為 2.4GHz ISM。藍(lán)牙模塊用于小車與其他控制設(shè)備短距離的通信。圖11 是藍(lán)牙模塊與FPGA 的連接示意圖。

圖11 藍(lán)牙模塊與FPGA 的連接示意圖

6 系統(tǒng)性能測試

■6.1 攝像頭顏色識別測試

圖12 和圖13 為圖像識別測試圖，在測試過程中，圖樣采集成功，攝像頭能夠識別到小方塊并且框選出來，為后續(xù)機(jī)械臂抓取物塊提供位置信息。

圖12 圖像識別測視圖（1）

圖13 圖像識別測試圖（2）

從測試結(jié)果可以看出，小車攝像頭所采集的圖像能夠較為清晰地顯示在HDMI 屏幕上，這是本系統(tǒng)設(shè)計的攝像頭顏色識別功能，可以框選出物塊。

■6.2 機(jī)械臂抓取物體效果測試

圖14 為機(jī)械臂抓取測試圖，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，可以通過SPI 手柄和藍(lán)牙兩種方式遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂抓取物體，并且對不同位置、不同距離都進(jìn)行了測試，效果良好。

圖14 機(jī)械臂抓取測試圖

7 結(jié)語

本研究設(shè)計了一種基于Robei EDA 的可重構(gòu)機(jī)器人，利用Robei EDA 軟件與FPGA 硬件平臺完成設(shè)計，以達(dá)到同一個機(jī)器人在不同環(huán)境下可以采取不同的工作模式來完成相應(yīng)的任務(wù)。本系統(tǒng)所提方法具有優(yōu)良的實現(xiàn)效果，具有良好的市場應(yīng)用前景及商業(yè)價值。

系統(tǒng)的創(chuàng)新點如下：

（1）所有模塊采用FPGA 實現(xiàn)，采用并行控制，F(xiàn)PGA 控制的電路不會因為軟件流水線控制而產(chǎn)生錯誤并且運行穩(wěn)定可靠，并行控制使FPGA 對攝像頭和機(jī)械臂等器件的控制更加精準(zhǔn)。

（2）實現(xiàn)多傳感器融合，能夠同時反饋溫度、濕度、光照情況，對機(jī)器人的工作環(huán)境實現(xiàn)實時監(jiān)控，并將信息遠(yuǎn)程傳輸給其他設(shè)備。

（3）小車采用可重構(gòu)設(shè)計，可以根據(jù)不同的任務(wù)場景選擇不同的工作模式，如危險環(huán)境作業(yè)、物流機(jī)器人等。