基于FPGA的智能運動系統設計

李晨+王子健+常惠+陳景霞

摘要：智能運動系統屬于高度集成的智能機器人，文章設計了基于FPGA的智能運動系統。首先，文中介紹了系統的總體設計。其后，設計了系統的硬件結構，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，在此基礎上編寫編程、仿真、調試。最后，通過測試，形成該智能運動系統的完整解決方案。

關鍵詞：FPGA；傳感器；智能小車；無線傳輸

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

智能運動系統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，通過特定的設計，可以使該系統完成特定的功能。目前，關于智能運動系統的研究越來越被人們關注，在太空探測，軍事偵察，深海探礦等領域國內外展開了廣泛的研究[1]。

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

1 系統總體設計

本設計以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主體結構來設計的，通過手機、平板等移動設備或PC端作為控制終端，經過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備上，操作人員可以根據小車返回的畫面控制小車的行動方向速度等。系統總體主要包括FPGA核心，電源模塊，電機驅動模塊，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 系統硬件設計

2.1 電源部分

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

2.2 動力部分

本系統配有兩路電機以及電機驅動，左右各一路。選取L298芯片作為電機驅動芯片，內置雙路全橋驅動電路，驅動電流為2A，可以同時驅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轉向。

2.3 傳感器部分

本系統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IO口的高低電平狀態來判斷是否循著黑線/遇到障礙物，然后可以進行相應的操作。超聲波模塊有一對圓筒狀的聲波信號收發裝置，其中一個是發射聲波，一個是接收聲波。超聲波在遇到障礙區時就會反射回來，我們通過計算從聲波發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，將采集到的畫面傳遞給控制端，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成。舵機的工作原理是由FPGA發出信號給舵機，其內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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。經由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，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，判斷是否已經到達預訂位置，一般舵機旋轉的角度范圍是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。該模塊預置open wrt固件，適配各系列驅動板，實現視頻傳輸及指令雙向傳輸功能。WiFi信號傳輸符合國際標準的802.11 b/g/n協議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK 和 QAM基帶調制技術，能自適應路由器等設備的無線熱點。支持 MIMO技術，最大連接速率可達 300Mbps。在FPGA主板搭載了一顆CH340G的USB轉TTL串口芯片，通過無線傳輸部分的Micro usb接口與FPGA主板相連，同時實現供電和串口通信。通信系統中，FPGA的RX（接收）連接CH340的TX（發送），FPGA的TX（發送）連接CH340的RX（接收）。

3 系統程序設計及調試

3.1 程序設計

文章中的FPGA程序在ISE14.4的開發環境中進行開發與調試，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、門級到開關級的多種抽象設計層次的數字系統建模。采用自頂向下的設計方法，分別編寫了電初始化模塊、led燈顯示模塊、串口收發模塊、串口數據解析模塊、紅外傳感器模塊和超聲波模塊。通過頂層調用實例化形成整個系統。

3.2 系統調試

對整個系統進行調試測試：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、轉向、加速、減速等。（3）控制攝像頭的轉向，實現各個角度的畫面拍攝。（4）通過傳感器實現尋跡避障測距等功能。

經過多次調試，實現了上述功能。

4 結語

本設計以FPGA為核心，結合外圍電路與各功能模塊，構成了高度集成化的智能運動系統，該系統實現了畫面采集傳輸，可視化的移動控制，并且實現了智能尋跡、避障、測距等功能。可以實現環境勘測，實時移動監控，以及在惡劣環境下工作的任務。本設計同時為智能運動系統的發展提供了一種思路。

參考文獻

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

[2]杜云，魏雅.基于單片機的智能小車設計制作與應用[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的設計[J].工業儀表與自動化裝置，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