基于Robei EDA 的可重構智能小車設計

肖揚，侯智

（南京信息工程大學，江蘇南京，210000）

0 引言

可重構機器人市場是一個非常具有前景的市場，未來幾年內，全球可重構機器人市場規模將呈現爆發式增長態勢。可重構機器人技術可以在不同的任務中靈活地重構機器人的行為，具有很強的適應性和靈活性。未來，可重構機器人將被廣泛應用于多個行業，包括制造業、醫療保健、物流、農業等。面對諸如災難廢墟現場搜救、生化污染環境作業、排爆排險等場景，一個能靈活應對復雜未知環境的機器人系統代替人類進入未知環境能有效降低探索任務的危險性和成本。模塊化自重構機器人不針對特定應用而設計，可根據不同任務和環境轉變為合適的構型，可以應對更加復雜多變的環境中的各種任務。本設計重點研究模塊化自重構機器人系統應用于現實場景的關鍵技術，旨在開發一個能自主工作于動態開放環境中的模塊化自重構機器人系統。

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）FPGA 控制的電路準確性高，穩定性強，功耗較低，本系統的機械結構、傳感器系統以及攝像頭均由FPGA 控制并且實現功能。另外，FPGA 開發板預留的接口還可以拓展小車的功能。

1 方案設計

考慮到本系統的涉及功能較多，資源占用量較大，以及硬件邏輯設計的必要性，本系統的硬件部分由兩塊FPGA 開發板構成，該系統結合攝像頭、6 自由度機械臂、溫度傳感器、超聲波傳感器、環境光傳感器等多傳感器融合圖像處理算法、機械臂路徑規劃算法，通過Robei EDA 工具進行設計與基礎仿真驗證，同時具有無線手動控制、無線自動控制、物體抓取、物體分類、音頻狀態播報、高溫狀態監測、環境突發狀態干涉、環境光數據監控的功能。

采用Robei 八角板作為小車FPGA 開發板之一，其搭載Xilinx Zynq-7010/7020 FPGA 芯片（內置Cortex-A9 雙核CPU），可以用于系統設計、IC 驗證、系統控制、云計算等用途。

小車第二塊FPGA 開發板的主控芯片為EP4CE10F17C8N，開發板擴充了豐富的接口和功能模塊，其主要負責小車攝像頭算法運行。如圖1 所示為本系統方案總體結構，主要包含由機械臂和麥克薩姆輪等組成的機械層、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據采集層。另外，小車還配備了通信模塊。

圖1 方案總體結構

圖2 為小車整體視圖，機械結構包含六自由度機械臂、四個麥克薩姆輪以及金屬框架，本設計可以保證小車運行的穩定性。

圖2 小車整體視圖

2 數據采集層

■2.1 OV5640 攝像頭控制

OV5640 攝像頭模塊負責采集外部場景信息，傳送至FPGA 開發板中進行處理，最終得到可靠外部信息，將外部環境傳輸至HDMI 顯示屏，同時可以根據外部環境的不同向從機傳送指令，如周圍環境太黑則開啟車燈、前方有障礙則進行避障，從機進行執行。在OV5640 攝像頭中加入了相應的算法模塊，從機將會根據攝像頭采集到的圖像進行處理，將會對攝像頭采集畫面中的顏色凸出部分（如紅綠藍等）進行框選，識別出圖像中的目標點，減輕了探測作業時的尋找難度。OV5640 采用標準的SCCB 接口，兼容I2C 接口。如圖3 為SCCB 寫傳輸協議的時序示意圖，包括起始位、器件地址+讀/寫、寫16 寄存器地址、寫數據和停止位，“X”為不必關心位，無需關心其數據為多少。

圖3 寫傳輸協議

■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，與本系統配備的語音識別模塊進行人機交互，可以用來播報小車自身狀態是否正常以及各傳感器的數據。模塊采用UART 協議與FPGA 通信，1 位起始位，8 位數據位，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，對于英文或數字采用ASCII 碼。

■2.3 讀卡模塊

小車讀卡模塊與藍牙模塊相關聯，當IC 卡插入時，讀卡模塊通過FPGA 向藍牙模塊發送信號，藍牙模塊向手機端APP 發送預設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 溫度傳感器準確度高，通常誤差不高于0.5 攝氏度，在本系統中用來檢測小車所處環境的溫度。圖5 為LM75A 的功能框圖，LM75A 是一種數字接口（I2C）的溫度傳感器，LM75A 內置帶隙溫度傳感器和 Σ-△模數轉換技術的溫度-數字轉換器。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 內包含許多數據寄存器：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，用來存儲讀取的數字溫度；設定點寄存器，用來存儲可編程的過熱關斷和滯后限制。器件通過2 線的串行I2C 總線接口控制器通信。

■2.5 環境光傳感器

環境光傳感器配合AD 轉換模塊可以較為準確地得到小車所處環境的光照情況。小車采用的光敏電阻傳感器模塊是用硫化鎘半導體材料制成的電阻器。當光照強度升高時，電阻的阻值迅速降低。由內光電效應可知，當有光照到此電阻器時，光照可以產生載流子，這些載流子都參與導電，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，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中主要用來實現小車的避障功能。HC-SR04 超聲波傳感器采用IO 觸發測距，圖6 為超聲波傳感器時序圖，FPGA 給傳感器至少10μs 的高電平信號；傳感器自動發送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，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。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器人所處環境是否下雨，并通過AD 轉換模塊來檢測當前雨量大小，方便為機器人下一步行動做規劃。

3 機械層

■3.1 機械臂驅動總控制

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

機械臂使用UART 通信協議與FPGA 通 信，圖7 為UART 時序圖，本系統機械臂使用的UART協議是8 位數據傳輸，無校驗位。舵機采用UART 異步串行接口進行時序控制，實現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 控制電機驅動模塊

本系統使用I2C 總線來實現FPGA 對麥克薩姆輪的驅動。圖8為本系統電機驅動模塊框圖，包含iic_w_top 和iic_write 兩個模塊。iic_w_top 模塊控制“iic_write”：實現3 次I2C 數據寫入。第一次寫入電機類型數據。第二次寫入電機極性數據。第三次寫入電機速度、方向數據。iic_write 則通過I2C 協議寫入數據。

圖8 電機驅動模塊框圖

4 顯示層

■4.1 HDMI 圖像顯示控制

HDMI 是一種符合高清時代標準的數字化視頻/音頻接口技術，能高品質地傳輸未經壓縮的高清視頻和多聲道音頻數據。

圖9 為HDMI 顯示設計框圖，下面分別對各個模塊進行介紹。

圖9 HDMI 顯示設計框圖

HDMI_SYNC：行場計數模塊：用于產生：CounterX（一行像素點計數器）CounterY（一幀行計數器）、DrawArea（顯示區域標志）、Sync[1:0]：場、行非顯示區域標志。

HDMI_SHOW：在DrawArea（顯示區 域標志）接 收要發送的RGB 數據，將RGB 數據轉換成R、G、B 分別為8bit，共24bit 數據，發送給相應的TMDS_encoder 模塊。

TMDS_encoder：根 據DrawArea（顯示區 域標志）Sync[1:0] ：場、行非顯示區域標志進行相應的數據編碼（固定IP 核功能）。分為：DrawArea（顯示區域標志）為高時，處于顯示區域的視頻數據編碼。DrawArea（顯示區域標志）為低時，處于非顯示區域時的控制數據編碼，并將編碼后的數據發送給HDMI_TMDS 模塊。

HDMI_TMDS：接收來 自TMDS_encoder 的R、G、B 分別為10 位的編碼數據。并/串轉換：將數據由并行的10 位數據，進行串行轉換為1 位數據，逐個發送給相應的OBUFDS，發送10 次。

OBUFDS：接受來自HDMI_TMDS 的數據，進行差分操作：輸入為A，輸出為A，～A。并將數據傳遞到相應的HDMI 接口。

■4.2 串口屏顯示

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

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遠距離移動以及控制機械臂實現旋轉、抓取物體。手柄控制使用的是SPI 通信協議，能夠控制小車完成直線前進、后退、左右平移等動作，在實際的應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，更好地執行任務。圖10 為手柄和接收器。

圖10 手柄和接收器

■5.2 藍牙模塊

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

圖11 藍牙模塊與FPGA 的連接示意圖

6 系統性能測試

■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，為后續機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，這是本系統設計的攝像頭顏色識別功能，可以框選出物塊。

■6.2 機械臂抓取物體效果測試

圖14 為機械臂抓取測試圖，在測試過程中發現，可以通過SPI 手柄和藍牙兩種方式遠程控制機械臂抓取物體，并且對不同位置、不同距離都進行了測試，效果良好。

圖14 機械臂抓取測試圖

7 結語

本研究設計了一種基于Robei EDA 的可重構機器人，利用Robei EDA 軟件與FPGA 硬件平臺完成設計，以達到同一個機器人在不同環境下可以采取不同的工作模式來完成相應的任務。本系統所提方法具有優良的實現效果，具有良好的市場應用前景及商業價值。

系統的創新點如下：

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

（2）實現多傳感器融合，能夠同時反饋溫度、濕度、光照情況，對機器人的工作環境實現實時監控，并將信息遠程傳輸給其他設備。

（3）小車采用可重構設計，可以根據不同的任務場景選擇不同的工作模式，如危險環境作業、物流機器人等。