FPGA“機甲大師”
作者：2016級王廣晗 精儀系
指導老師：馬騁 精儀系
關鍵詞： NIOSⅡ 軟核處理器 伺服控制
摘要
本作品是一輛搭載二軸云臺、攝像頭、水彈槍的三輪全向移動小車。小車可以通過手機藍牙遙控全向移動和轉動，云臺開啟追蹤模式時，無論小車如何運動，依靠OpenMV攝像頭伺服控制始終保持水彈槍指向某個顏色的目標。本作品作為“系統(tǒng)芯片設計實踐”的課程設計，獲得A+。
方案設計
本作品最大特點是主控是FPGA，而非常用的單片機。
圖1 實物照片和機械結構示意圖
3個編碼器減速電機互成120°角，配合全向輪，讓小車具有平面內全向移動能力。水彈槍安裝在二軸舵機云臺上（AX-12A串行總線舵機），可以調節(jié)方向和俯仰角度，用繼電器控制開火。OpenMV攝像頭與水彈槍近似同軸，可以尋找色塊等目標，將其坐標發(fā)給主控。
主控芯片是Altera Cyclone EP4CE10 FPGA，開發(fā)板是黑金AX4010。FPGA工程中調用了一個NIOS Ⅱ軟核，并在軟核總線上掛載了多種官方和自定義外設，如NIOS Ⅱ官方的PIO，定時器，串口，用Verilog編寫的自定義編碼器、電機速度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/數據流圖
功能展示
小車控制方面，電機的編碼器計數，PID速度環(huán)，PWM輸出控制都是FPGA硬件上完成的?？刂浦芷跒?span lang="EN-AU">10ms，可實現(xiàn)與軟件PID相同的效果。結合三輪全向輪小車的速度映射關系，即可直接在軟件中控制小車的前后、左右、旋轉速度。偏差量和PID系數的乘法是用移位實現(xiàn)的，所以占用的資源不多。
藍牙遙控用的是手機APP Bluetooth Electronics，可以自定義一個GUI，比如按某個按鈕發(fā)送一個字符串。接收端判斷收到的字符串，可實現(xiàn)小車八個方向的移動、自轉，二軸云臺舵機角度調整，水彈槍開火，追蹤模式開關等。
圖3 遙控APP界面
除遙控外，水彈槍還具有目標追蹤功能，分為俯仰和方向兩個PID位置環(huán)。OpenMV攝像頭發(fā)現(xiàn)目標后，將其坐標發(fā)給FPGA，PID周期為20ms，輸入量為目標坐標與水彈槍瞄準點的偏差，輸出量為舵機角度增量，從而讓水彈槍迅速指向目標。在追蹤模式開啟時，云臺不可遙控而小車底盤仍可遙控，無論小車如何運動，云臺能保持水彈槍始終指向目標。
