基于ZedBoard 的智能小車

楊 陽

（南京機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，211135）

0 引言

自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、交通、宇航、國防等相關(guān)領(lǐng)域。近幾年來機器人的智能水平不斷加以提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)機器人的傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺傳感器的核心器件是CCD 或攝像管，目前的CCD 已能做到自動聚焦，但CCD 傳感器在體積、價格和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近視覺傳感器是一種實用有效的方法。

機器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVG—auto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線，使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作，故本文設(shè)計了一種在ZedBoard 平臺下按預(yù)設(shè)軌道運行的智能小車，取得了很好地效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的主控板為zedboard 開發(fā)板，主芯片Zynq-7000 結(jié)合高性能雙核ARM Cortex A9 MPCore 處理系統(tǒng)和可編程邏輯于一體，見圖1，系統(tǒng)主要功能是：

1）通過攝像頭視頻完成數(shù)字識別

2）利用超聲波傳感器完成自動避障

3）利用光電傳感器完成自動尋線運動

4）LCD 顯示溫度和數(shù)字

圖1 zedboard 小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件接口

通過zedboard 上的Pmod 接口實現(xiàn)硬件的物理連接，zedboard 上 的4 個Pmod 接 口（JA,JB,JC,JD）支 持LVCMOS3.3V和LVTTL3.3V 信號，JA4 和JA10 分別接兩個舵機，JB1 和JB8接電機，JB7 和JB2 接PWM 發(fā)生器，JD1P,JD2P,JD3P 分別接三個超聲波。為了避免短路電流和靜電，Pmod 接口電路設(shè)計中為每個信號端增加了一個靜電保護二極管和串接了1 個200 歐的電阻，Pmod 接口電路設(shè)計如圖2 所示。

2.2 硬件說明

電機模塊：本設(shè)計所用電機為帶減速的直流電機，帶減速的電機就是在普通電機上加了減速箱，這樣便降低了轉(zhuǎn)速，增大了扭力，使得普通電機有更廣泛的使用空間。帶減速的電機由于降低了轉(zhuǎn)速，增大了扭力，此電機的控制采用了H 橋電路方案，用L298 芯片組成的電路進行控制，能實現(xiàn)PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速，控制上采用FPGA 進行PWM 調(diào)速控制，PWM 控制可以方便的控制小車整體速度。

環(huán)境光強傳感器模塊：本設(shè)計所使用的光電傳感器為5 路槽型光電傳感器模塊，每路模塊是由一個光發(fā)射器和一個接收器面對面的裝在一個槽的兩側(cè)組成。發(fā)光器能發(fā)出紅外光，檢測地面光強，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便開始工作，輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作，槽形開關(guān)的檢測距離因受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米，因此將此模塊應(yīng)用在小車底盤進行多路循跡，能大大的增強小車的循跡精度。

1602 液晶顯示模塊：將此次設(shè)計過程中所需要的數(shù)據(jù)反饋到顯示屏上來，直觀簡潔，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。

溫度傳感器模塊：本設(shè)計所使用溫度傳感器模塊為TCN75AVUA，用于溫度采集。TCN75AVUA 是串行可編程溫度傳感器，當(dāng)周圍溫度超過用戶編定的設(shè)定點時，它可通知主機控制器滯后，也是可編程的INT/CMPTR 輸出端，可通過編程用作自動調(diào)溫器工作中的一個簡單的比較器或用作一個溫度事件中斷與TCN75 的通信。

超聲波模塊：用于設(shè)計中的測距，避障等，使小車按預(yù)設(shè)軌道前行。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件概述

VIVADO：一般情況下，對于單純的FPGA，VIVADO 是將硬件描述語言（Verilog 或者VHDL）描述的功能模塊進行綜合實現(xiàn)，并生成FPGA 可以上電后能夠加載的BIT 流。而針對我們的Zedboard 上的zynq 芯片，vivado 除了生成了PL（即FPGA）部分的BIT 流，還生成PS（即ARM）的一些配置文件（比如在生成xparameters.h 里面的宏，ARM 的某些管腳第二功能：串口，IIC，SPI，Ethernet 等的配置文件等）等。所以可以這么理解，所有和硬件相關(guān)的（AXI_GPIO，Motor 之類的外設(shè)IP 核）必須在VIVADO 中完成。

SDK：SDK 是Software Development Kit 的 簡 稱，基 于Eclipse。我們是將VIVADO 的硬件工程導(dǎo)入到SDK，使用SDK 進行軟件的編寫（Linux 除外）。而這個硬件工程可以是你自己使用VIVADO 做的，也可以是別人使用VIVADO 做好的。

3.2 軟件設(shè)計

根據(jù)智能循跡小車需要，zedboard 控制板的任務(wù)是控制和調(diào)用采集傳感器進行數(shù)據(jù)的采集和各個模塊的調(diào)用。本次智能小車的設(shè)計包含超聲波模塊，1602 液晶顯示模塊，溫度傳感器模塊，光電循跡模塊，攝像頭，電機，舵機。在循跡過程中，會對各種事件做出應(yīng)答，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，并將任務(wù)結(jié)果反饋到控制中心。軟件設(shè)計過程中采用模塊化編程，將各個功能模塊以子函數(shù)的形式展現(xiàn)，利于書寫和查看，使任務(wù)目標(biāo)直觀化，更加效率，且在平臺的移植上易于修改。

中央控制模塊主要是將各模塊進行協(xié)調(diào)處理和實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

軟件設(shè)計主流程圖見圖3。

4 結(jié)論

實際中zedboard 智能小車的正確識別率在98%以上，操作過程中發(fā)現(xiàn)，影響小車正常辨別的因素主要由紅外傳感器的質(zhì)量和賽道寬度決定，另該小車采用了高精度超聲波避障系統(tǒng)，提高小車行駛的安全性，采用功能強大的ARM 系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，有利于小車功能的進一步延生開發(fā)，提高了系統(tǒng)設(shè)計效率，本系統(tǒng)可以作為移動機器人的載體，在技術(shù)成熟以后可以應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防軍事等領(lǐng)域，具有廣闊的市場潛力和美好的應(yīng)用前景。

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