基于Robei EDA工具的多功能可重構機器人設計*

*本項目獲得“2021全國大學(xué)生集成電路創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)大賽”華東賽區一等獎，全國總決賽二等獎。

0 引言

隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)正從傳統的工業(yè)制造領(lǐng)域向醫療服務(wù)、教育娛樂(lè )、勘探勘測等領(lǐng)域迅速擴展，適應不同領(lǐng)域需求的機器人系統不斷深入研究和開(kāi)發(fā)。通過(guò)對智能家居的分析發(fā)現，市面上的機器人可分為代替人類(lèi)完成家務(wù)的功能機器人、具有娛樂(lè )性的陪伴機器人和管理智能家電的助理機器人，種類(lèi)繁多但是功能較為單一；多基于單片機或基于集成系統設計，不具有可重構性和良好的實(shí)時(shí)性，不能夠滿(mǎn)足靈活多樣的機器人需求且成本過(guò)高，而可重構機器人則可以根據任務(wù)需求更新其硬件構型^[1]。

本團隊旨在通過(guò)一款機器人實(shí)現環(huán)境監測及災難預警、安保防御及智能搬運等多種功能，有效保障居家安全，并提供便利服務(wù)。隨著(zhù)中國老齡化的到來(lái)，獨居老人人數增多，以及當今社會(huì )獨居青年比例越來(lái)越高，對能保證基本生活環(huán)境的機器人的需求也會(huì )越來(lái)越多。相比上述市面上的功能型、娛樂(lè )型、助理型的非必需高檔奢侈類(lèi)機器人，所設計的機器人有更高的市場(chǎng)潛力。

1 架構設計

本設計的架構基于Robei EDA工具設計（注：RobeiEDA是一款可視化的跨平臺EDA設計工具^[2]，能夠大大提高FPGA 的開(kāi)發(fā)效率），分為中心處理部分、傳感感知部分、電源電路部分、機械運動(dòng)部分、網(wǎng)絡(luò )傳輸部分、上位機部分、顯示器部分及遙控控制部分。架構框圖如圖1 所示。

圖1 架構

邏輯流程圖如圖2 所示，設計的機器人運行時(shí)可以進(jìn)入兩種模式（自動(dòng)和遙控）。進(jìn)入系統前首先進(jìn)行指紋識別，如果指紋正確則進(jìn)入系統，如果指紋未錄入指紋傳感器的存儲器則無(wú)法進(jìn)入系統，在進(jìn)入系統后可以通過(guò)刷未錄入指紋的手指對系統上鎖，此時(shí)全機除顯示屏和指紋以外的模塊全部復位，待按上正確的指紋時(shí)才進(jìn)行解鎖。

整機原理圖如圖2 所示。

圖2 整機原理

2 控制電路

2.1 遙控部分

遙控部分分為手柄遙控和語(yǔ)音控制兩個(gè)部分，分別通過(guò)手柄和語(yǔ)音對機器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2.1.1 手柄遙控

本模塊與外部指紋模塊與LCD HMI 串口顯示屏模塊相連，當指紋輸入正確時(shí)，手柄遙控模塊復位解除，機器人所有傳感器均開(kāi)始工作，同時(shí)顯示屏顯示開(kāi)機動(dòng)畫(huà)進(jìn)入主程序。PS2 手柄以SPI 的通信協(xié)議與FPGA 通信，使用者可以通過(guò)手柄按鍵和搖桿控制機器人移動(dòng)、機械臂抓取運動(dòng)以及對電磁炮超級電容進(jìn)行充放電、放電發(fā)射金屬炮彈，其工作流程圖如圖3 所示。

圖3 手柄遙控流程

2.1.2 語(yǔ)音控制

語(yǔ)音控制部分包括串口模塊、電機驅動(dòng)模塊、舵機驅動(dòng)模塊和電磁炮驅動(dòng)模塊；該部分的核心傳感器件是LD3320語(yǔ)音傳感器，通過(guò)SPI協(xié)議與FPGA通信。其工作流程如圖4 所示。

圖4 語(yǔ)音遙控部分的流程

2.2 自動(dòng)部分

2.2.1 自主避障模塊

該模塊由4 個(gè)超聲波傳感器控制和8 路PWM 波直流電機驅動(dòng)控制組成，4 個(gè)超聲波傳感器分別位于機器人的前后左右部分，通過(guò)測量判斷機器人各個(gè)方向障礙物相對于機器人的距離來(lái)控制電機運動(dòng)，實(shí)現機器人的自主避障。

2.2.2 自動(dòng)循跡模塊

該部分由FPGA 對時(shí)序驅動(dòng)CCD 傳感器進(jìn)行曝光采集賽道信息，經(jīng)計算得到賽道中點(diǎn)相對于機器人的位置坐標，將該位置與像素中點(diǎn)相減得到賽道的偏移值，將偏移值代入PID 模塊作為誤差進(jìn)行運算，為機器人輸出PWM 波，控制機器人的閉環(huán)循跡。

3 機械結構

本作品的機械結構主要由以下部分組成：機械臂部分、機器人運動(dòng)部分、機器人輪胎和電磁炮部分。

3.1 機械臂部分

本作品采用三自由度機械臂，由機械部件和三個(gè)舵機組成，舵機的選型是MG996R，它是一種180° 的數字舵機。其特點(diǎn)是便宜、大扭力（最大扭力可達20 千克力），工作電壓為4.8～6 V。

舵機的主要控制原理是：輸入1 個(gè)周期為20 ms 的矩形脈沖，根據其占空比的大小來(lái)決定舵機輸出的轉軸角。

3.2 機器人運動(dòng)部分

該部分由直流電機、輪胎、電機驅動(dòng)模塊組成，其中直流電機采用4 個(gè)370 直流減速電機，控制電壓為12 V。電機選取的轉速為中等的170 轉/min。電機驅動(dòng)部分由2 個(gè)電機驅動(dòng)模塊組成，其型號為L(cháng)298N，是一種H 橋MOS 管驅動(dòng)電路，輸出電流大、隔離性強、頻帶寬，能夠輸出4 路信號控制2 個(gè)電機。

3.3 機器人底盤(pán)部分

機器人輪胎選用麥克納姆輪。由于獨特的機械結構，4 個(gè)麥克納姆輪通過(guò)矢量相加可實(shí)現機器人平移、原地旋轉等特殊運動(dòng)。

3.4 電磁炮部分

該部分主要包含逆變升壓模塊、繼電器模塊、超級電容模塊和電磁線(xiàn)圈模塊。

首先從繼電器模塊中引出兩根信號線(xiàn)給FPGA，FPGA 可根據手柄和語(yǔ)音控制繼電器模塊閉合張開(kāi)以控制12 V 電源，通過(guò)逆變升壓模塊給超級電容充電，然后控制繼電器將12 V 電源斷開(kāi)，此時(shí)電能被存儲在超級電容之中。然后再次由FPGA 控制電磁線(xiàn)圈閉合，使電能從電容中釋放，此時(shí)變化的電流通過(guò)線(xiàn)圈生成磁場(chǎng)。根據法拉第電磁感應定律和楞次定律，線(xiàn)圈中將產(chǎn)生排斥方向的洛倫茲力帶動(dòng)炮管中的金屬彈射出。為了保護電路和隔離，使用可控硅和續流二極管等器件。

4 算法系統

4.1 機器人運動(dòng)算法

本作品設計的機器人運動(dòng)部分采用4WD 的麥克納姆輪，每個(gè)麥克納姆輪上有若干傾斜45° 的小輪子，在轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相比機器人傾斜45° 的摩擦力，4 個(gè)輪胎轉動(dòng)配合即可實(shí)現平移、原地旋轉等運動(dòng)。其運動(dòng)原理如圖5所示，其中紅色代表輪子向前轉，藍色代表輪子向后轉。

圖5 機器人運動(dòng)算法

4.2 自主避障算法

該部分在機器人周?chē)O計4 個(gè)超聲波傳感器，當一方檢測到障礙物的距離小于15 cm 時(shí)，機器人向逆時(shí)針90°方向平移，即左手定則，如前方檢測到障礙就向左平移，左邊檢測到障礙向后平移，以此類(lèi)推。

4.3 自主循跡算法

本作品使用128 路線(xiàn)性CCD 傳感器進(jìn)行循跡，當標記線(xiàn)位置偏向任意一側，控制機器人向另一側偏轉，使標記線(xiàn)始終保持在小車(chē)的中線(xiàn)附近。本作品還設計了循跡PID 算法，可實(shí)現平滑轉彎。

4.4 濾波算法

機器人傳感器進(jìn)行數據采集可能發(fā)生意外的抖動(dòng)，數據現在誤差，進(jìn)而影響機器人的判斷。因此，采用均值濾波和中值濾波算法對部分傳感器，如超聲波傳感器、角度傳感器、溫度傳感器進(jìn)行一定的濾波，以改善傳感器效果。

5 圖像處理

圖像處理功能由CCD 基于FPGA 實(shí)現，主要有兩種功能：軌跡識別及顯示、復雜循跡。以下將詳細介紹各個(gè)功能的實(shí)現。

5.1 軌跡識別及顯示

傳感系統中的CCD 模塊使用FPGA 實(shí)現，本功能基于FPGA 驅動(dòng)TS1401 線(xiàn)性CCD 采集軌跡信息二值化后輸出至上位機，以顯示軌跡。

5.1.1 灰度值采集

首先，FPGA 驅動(dòng)CCD 輸出其感光元件采集的線(xiàn)性128 個(gè)像素的模擬電壓，模擬電壓經(jīng)過(guò)AD9226 模塊轉換成12 位數字信號給FPGA?？紤]到AD 模塊采集信號時(shí)有一定的隨機誤差，因此在采集時(shí)對其進(jìn)行均值濾波，即采集7 次AD，然后對采集的值求平均。由于本作品的AD 轉換頻率高達50 MHz，因此采集更多的次數也是可以實(shí)現的，通過(guò)多次試驗且考慮到毛刺的影響，設置7 次AD 轉換比較合理。

5.1.2 二值化

為了方便FPGA 處理和識別，需要將采集的12 位數字電平信號進(jìn)行二值化操作，由CCD 的感光原理可知，采集像素點(diǎn)的灰度值越大，其模擬輸出的電壓就越大，但是根據AD9226 的工作原理：

V_D=2048-V_i÷5×2048   (1)

其中V_D 是數字轉換值，V_i是AD的模擬輸入值。

可知CCD采集的灰度值越大，FPGA收到的12 位數字值就越小，因此軌跡越黑數字值越大。根據設置閾值則可將軌跡和軌跡外的灰度二值化為0 或1。本作品將黑色軌跡設置為0，其中閾值的大小由當次灰度采樣值的平均值、場(chǎng)地光強和調試經(jīng)驗共同決定^[3]。

5.1.3 平滑濾波

隨后單次采樣的128 位像素均變?yōu)? 和1 的二值化量?？紤]到在采集灰度時(shí)存在一定的毛刺，使采集的數據有0 到1 或1 到0 的錯誤跳變，本作品對采集的軌跡進(jìn)行平滑濾波處理。由于軌跡的連續性灰度信號不存在突然的跳變，因此在圖像采集時(shí)采集的1 個(gè)、2 個(gè)或3個(gè)孤點(diǎn)都是毛刺產(chǎn)生的，該影響表現效果如圖6 所示。

圖6 未平滑濾波圖像

測試發(fā)現，控制一定的曝光時(shí)間基本上可以將CCD產(chǎn)生的毛刺信號控制在3 個(gè)以?xún)?。通過(guò)平滑濾波和調整曝光時(shí)間，CCD 的采集得到較為完美的圖像，測試結果如圖7 所示。

圖7 調整完善后CCD的采集圖像

5.2 復雜循跡

基礎紅外光電傳感器有很大的缺點(diǎn)，如由于線(xiàn)路較少，其偏移值過(guò)于離散且數量?。▋H左右2 個(gè)），其測量的偏差范圍是（-2 ～ 2）。該數據基本無(wú)法進(jìn)行PID閉環(huán)控制，由于開(kāi)環(huán)操作使得機器人循跡時(shí)抖動(dòng)很大，效果不好，而且由于線(xiàn)路少，一路出故障就會(huì )對整個(gè)系統功能產(chǎn)生很大的影響。為了確保機器人的性能和穩定性，按上一節采用圖像處理方法實(shí)現機器人的復雜循跡，包含基礎連續軌跡、間斷軌跡和交叉環(huán)島，基于CCD圖像識別完成機器人對其復雜循跡。

5.2.1連續軌跡

首先是實(shí)現機器人的連續循跡，由上一節CCD 識別軌跡可以發(fā)現，黑色的軌跡在FPGA 上表現為0，通過(guò)1 次采集的128 個(gè)像素所構成的二值化數組，即可得到軌跡兩邊的邊緣坐標，根據邊緣坐標即可計算出軌跡中點(diǎn)坐標，然后將中心坐標與128 的1/2（取整數63）做差，即可得到機器人相對軌跡的偏差。如CCD 得到黑線(xiàn)左邊坐標為68，右邊坐標為97，經(jīng)計算得到黑線(xiàn)的中心坐標為82，說(shuō)明此時(shí)黑線(xiàn)中點(diǎn)位于小車(chē)右邊19個(gè)坐標位置，小車(chē)則需要左移19 個(gè)坐標才能實(shí)現軌跡的跟蹤即循跡。為了實(shí)現這一點(diǎn)，基于Verilog 實(shí)現的PID 制器將軌跡中點(diǎn)和小車(chē)的偏差作為輸入，輸出為小車(chē)左邊電機和右邊電機的PWM 波占空比之差，以此閉環(huán)實(shí)現機器人的循跡功能。

5.2.2 間斷軌跡

對于間斷的軌跡而言，機器人若采取連續循跡方案很容易沖出賽道，因此在需要一定的判斷，在CCD 采樣前首先存儲一次機器人上一次采樣的數據，如果判斷到錯誤的軌跡，如左邊坐標等于最小值、右邊坐標等于最大值以及左邊坐標大于右邊坐標的情況，即讓上一次正確的采樣值完全替代這次的采樣值。該方法相當于一種特殊的卡爾曼濾波法。

5.2.3 交叉環(huán)島

在（2）所提到的算法既可以修正CCD 采集到全0或者是全1 的情況，其中全1 代表間斷軌跡，全0 則代表環(huán)島的交叉點(diǎn)，顯然在此算法下機器人將根據之前的采樣正確地通過(guò)環(huán)島。

6 系統整合與調試

6.1 串口模塊

本部分采用UART 協(xié)議結合藍牙模塊形成無(wú)線(xiàn)串口，實(shí)現機器人與PC 端的上位機的無(wú)線(xiàn)通信，波特率為9 600 bit/s。

6.2 上位機設計

該部分基于PyQt設計和機器人配套的上位機軟件，在實(shí)現串口收發(fā)的基礎上，針對機器人的移動(dòng)和機械臂的抓取設計了獨立按鍵，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊鼠標按鍵或者綁定的鍵盤(pán)來(lái)控制機器人運動(dòng)和抓取，該部分主要用于調試機器人。

6.3 HMI串口屏設計

本部分基于FPGA 結合觸摸電阻屏和串口設計一款機器人顯示端，具有豐富的按鍵和人性化的GUI。用戶(hù)需要解鎖才能使用，可以通過(guò)點(diǎn)擊按鍵來(lái)獲取各類(lèi)信息，當觸發(fā)災難事件時(shí)會(huì )預警。本部分是機器人主要的人機交互模塊，傳感器的測試均可在顯示屏的顯示中得到驗證。

7 結束語(yǔ)

目前市面上少有純粹基于FPGA 設計的機器人，本設計的機器人完全采用FPGA 實(shí)現控制，由于其現場(chǎng)可編程特性以及并列運行指令結構，具有很好的可重構性和實(shí)時(shí)性。因此，基于FPGA 的多功能可重構機器人能夠很好地彌補市場(chǎng)缺口，具有更低的成本。除此以外，隨著(zhù)FPGA 性能的提升以及集成電路產(chǎn)業(yè)與自動(dòng)控制、計算機產(chǎn)業(yè)的互相促進(jìn)融合，基于FPGA 實(shí)現的機器人不僅能夠作為市場(chǎng)產(chǎn)品的替代，而且能夠實(shí)現更為復雜的算法和功能。

參考文獻：

[1]李斌,吳鎮煒,談大龍,等.可重構機器人技術(shù)的探討[J].信息與控制,2001,30(0S1):684-688.

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[3]趙萬(wàn)欣,陳思屹.基于TSL1401線(xiàn)性CCD的智能巡線(xiàn)小車(chē)[J].工業(yè)控制計算機,2014,27(2):121-122.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）