FPGA“機(jī)甲大師”
作者：2016級(jí)王廣晗 精儀系
指導(dǎo)老師：馬騁 精儀系
關(guān)鍵詞： NIOSⅡ 軟核處理器 伺服控制
摘要
本作品是一輛搭載二軸云臺(tái)、攝像頭、水彈槍的三輪全向移動(dòng)小車。小車可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙遙控全向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，云臺(tái)開(kāi)啟追蹤模式時(shí)，無(wú)論小車如何運(yùn)動(dòng)，依靠OpenMV攝像頭伺服控制始終保持水彈槍指向某個(gè)顏色的目標(biāo)。本作品作為“系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)實(shí)踐”的課程設(shè)計(jì)，獲得A+。
方案設(shè)計(jì)
本作品最大特點(diǎn)是主控是FPGA，而非常用的單片機(jī)。
圖1 實(shí)物照片和機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
3個(gè)編碼器減速電機(jī)互成120°角，配合全向輪，讓小車具有平面內(nèi)全向移動(dòng)能力。水彈槍安裝在二軸舵機(jī)云臺(tái)上（AX-12A串行總線舵機(jī)），可以調(diào)節(jié)方向和俯仰角度，用繼電器控制開(kāi)火。OpenMV攝像頭與水彈槍近似同軸，可以尋找色塊等目標(biāo)，將其坐標(biāo)發(fā)給主控。
主控芯片是Altera Cyclone EP4CE10 FPGA，開(kāi)發(fā)板是黑金AX4010。FPGA工程中調(diào)用了一個(gè)NIOS Ⅱ軟核，并在軟核總線上掛載了多種官方和自定義外設(shè)，如NIOS Ⅱ官方的PIO，定時(shí)器，串口，用Verilog編寫(xiě)的自定義編碼器、電機(jī)速度PID、特定串口接收等，用于完成底層功能，而遙控、色塊追蹤等上層邏輯則由NIOS Ⅱ中的軟件（C代碼）完成。
圖2 軟硬件架構(gòu)/數(shù)據(jù)流圖
功能展示
小車控制方面，電機(jī)的編碼器計(jì)數(shù)，PID速度環(huán)，PWM輸出控制都是FPGA硬件上完成的。控制周期為10ms，可實(shí)現(xiàn)與軟件PID相同的效果。結(jié)合三輪全向輪小車的速度映射關(guān)系，即可直接在軟件中控制小車的前后、左右、旋轉(zhuǎn)速度。偏差量和PID系數(shù)的乘法是用移位實(shí)現(xiàn)的，所以占用的資源不多。
藍(lán)牙遙控用的是手機(jī)APP Bluetooth Electronics，可以自定義一個(gè)GUI，比如按某個(gè)按鈕發(fā)送一個(gè)字符串。接收端判斷收到的字符串，可實(shí)現(xiàn)小車八個(gè)方向的移動(dòng)、自轉(zhuǎn)，二軸云臺(tái)舵機(jī)角度調(diào)整，水彈槍開(kāi)火，追蹤模式開(kāi)關(guān)等。
圖3 遙控APP界面
除遙控外，水彈槍還具有目標(biāo)追蹤功能，分為俯仰和方向兩個(gè)PID位置環(huán)。OpenMV攝像頭發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將其坐標(biāo)發(fā)給FPGA，PID周期為20ms，輸入量為目標(biāo)坐標(biāo)與水彈槍瞄準(zhǔn)點(diǎn)的偏差，輸出量為舵機(jī)角度增量，從而讓水彈槍迅速指向目標(biāo)。在追蹤模式開(kāi)啟時(shí)，云臺(tái)不可遙控而小車底盤(pán)仍可遙控，無(wú)論小車如何運(yùn)動(dòng)，云臺(tái)能保持水彈槍始終指向目標(biāo)。
