FPGA“机甲大师”
作者：2016级王广晗 精仪系
指导老师：马骋 精仪系
关键词： NIOSⅡ 软核处理器 伺服控制
摘要
本作品是一辆搭载二轴云台、摄像头、水弹枪的三轮全向移动小车。小车可以通过手机蓝牙遥控全向移动和转动，云台开启追踪模式时，无论小车如何运动，依靠OpenMV摄像头伺服控制始终保持水弹枪指向某个颜色的目标。本作品作为“系统芯片设计实践”的课程设计，获得A+。
方案设计
本作品最大特点是主控是FPGA，而非常用的单片机。
图1 实物照片和机械结构示意图
3个编码器减速电机互成120°角，配合全向轮，让小车具有平面内全向移动能力。水弹枪安装在二轴舵机云台上（AX-12A串行总线舵机），可以调节方向和俯仰角度，用继电器控制开火。OpenMV摄像头与水弹枪近似同轴，可以寻找色块等目标，将其坐标发给主控。
主控芯片是Altera Cyclone EP4CE10 FPGA，开发板是黑金AX4010。FPGA工程中调用了一个NIOS Ⅱ软核，并在软核总线上挂载了多种官方和自定义外设，如NIOS Ⅱ官方的PIO，定时器，串口，用Verilog编写的自定义编码器、电机速度PID、特定串口接收等，用于完成底层功能，而遥控、色块追踪等上层逻辑则由NIOS Ⅱ中的软件（C代码）完成。
图2 软硬件架构/数据流图
功能展示
小车控制方面，电机的编码器计数，PID速度环，PWM输出控制都是FPGA硬件上完成的。控制周期为10ms，可实现与软件PID相同的效果。结合三轮全向轮小车的速度映射关系，即可直接在软件中控制小车的前后、左右、旋转速度。偏差量和PID系数的乘法是用移位实现的，所以占用的资源不多。
蓝牙遥控用的是手机APP Bluetooth Electronics，可以自定义一个GUI，比如按某个按钮发送一个字符串。接收端判断收到的字符串，可实现小车八个方向的移动、自转，二轴云台舵机角度调整，水弹枪开火，追踪模式开关等。
图3 遥控APP界面
除遥控外，水弹枪还具有目标追踪功能，分为俯仰和方向两个PID位置环。OpenMV摄像头发现目标后，将其坐标发给FPGA，PID周期为20ms，输入量为目标坐标与水弹枪瞄准点的偏差，输出量为舵机角度增量，从而让水弹枪迅速指向目标。在追踪模式开启时，云台不可遥控而小车底盘仍可遥控，无论小车如何运动，云台能保持水弹枪始终指向目标。
