基于FGA的手勢識別智能小車

手勢控制的智能小車隊長：馬聰 隊員：李源琦 王麒炎 Logo

項目描述Contents1

總體設(shè)計2

硬件設(shè)計3

軟件設(shè)計4

FPGA主控設(shè)計5Logo

一、項目描述1.1項目要求

本項目要求設(shè)計出可以利用手勢控制的智能小車，該小車能夠根據(jù)上外機（PC端）鍵盤的輸出指令A（左轉(zhuǎn)）,W（前進）,S（后退）,D（后退）以及P（停止）。同時可以通過PC端的內(nèi)置攝像頭進行手勢識別并利用手勢控制小車前進。同時利用無線路由器和攝像頭對小車周圍環(huán)境進行監(jiān)控，同時將圖像送回PC端。同時，利用超聲模塊進行簡單的蔽障，使得可以自動行駛。1.2需求分析

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展及智能控制在人們生活中的滲透，運用智能機器人進行輔助生產(chǎn)和提高工作效率似乎是一個趨勢。有時候我們需要監(jiān)控環(huán)境變化，但人們不便直接進入；同時我們需要多方式來控制小車的運動，包括使用PC端鍵盤控制，手勢控制等。同時，隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也為小車的遠程控制提供了可能性。我們可以通過遠程控制來進行相關(guān)操作使得小車進行運動。Logo

一、項目描述1.3硬件和軟件開發(fā)工具簡介硬件平臺

考慮到FPGA具有實時性強、時序資源豐富的優(yōu)點，我們在開發(fā)過程中使用的是Digilent公司的BASYS2開發(fā)板，該開發(fā)板是圍繞著Xilinx公司的一塊Spartan-3EFPGA芯片搭建的，它提供了完整、隨時可以使用的硬件平臺，并且它適合于從基本邏輯器件到復雜控制器件的各種主機電路。Basys2板上集成了大量的I/O設(shè)備、16個擴展I/O口和FPGA所需的支持電路，讓開發(fā)者能夠方便搭建無數(shù)的設(shè)計電路。軟件平臺

在小車端的軟件開發(fā)工具主要是ISEDesignSuite13.4，ISE是使用XILINX的FPGA的必備的設(shè)計工具，它可以完成FPGA開發(fā)的全部流程，包括設(shè)計輸入、仿真、綜合、布局布線、生成BIT文件、配置以及在線調(diào)試等，功能非常強大。ISE除了功能完整、使用方便外，它的設(shè)計性能也非常好，它集成的時序收斂流程整合了增強性物理綜合優(yōu)化，提供最的時鐘布局、更好的封裝和時序收斂映射，從而獲得更高的設(shè)計性能。先進的綜合和實現(xiàn)算法將動態(tài)功耗降低了10%。另外，我們還使用了一款由Digilent公司為BASYS2開發(fā)板開發(fā)的用于下載程序的軟件Adept2。

在PC端，我們利用OPENCV開源圖像數(shù)據(jù)庫進行手勢識別與處理，同時利用C++編寫串口程序，MFC編寫窗體并封裝。使得小車的控制程序更為美觀，操作更為簡便。Logo二、總體設(shè)計2.1功能描述小車為二驅(qū)或四驅(qū)，能夠自由行走。利用WIFI模塊進行PC端口與智能小車的通信，鍵盤控制小車的工作模式、軌跡以及行進與停止。利用WIFI模塊進行PC端口與智能小車的通信，利用手勢來控制小車的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。小車有自動和手動兩種工作模式，在自動工作模式下，小車能沿著一定的軌跡運動且能夠自動避障或循跡。在手動工作模式下，小車能夠根據(jù)智能手機的方向控制鍵進行行走。小車前方有一攝像頭，可以將拍攝所得的數(shù)據(jù)返回給PC端。二、總體設(shè)計2.2系統(tǒng)框圖根據(jù)功能設(shè)計，我將智能小車細化地分為了以下幾個模塊：系統(tǒng)電路模塊、小車行走控制模塊、無線模塊、攝像監(jiān)控、意外控制模塊。以下為智能小車的簡要系統(tǒng)框圖。三、硬件設(shè)計3.1硬件設(shè)計電路本項目采用的硬件平臺是BASYS2開發(fā)板，將其作為主處理器使用。處理來自利用超聲模塊，無線模塊的數(shù)據(jù)，同時控制L298N電機驅(qū)動芯片。硬件電路設(shè)計如下:三、硬件設(shè)計3.2硬件實際電路本小車采用以FPGA為主體控制芯片，而超聲模塊，無線接收模塊，電機驅(qū)動模塊，以及PC端的無線串口模塊為負載模塊的結(jié)構(gòu)。采用三電源，兩層結(jié)構(gòu)。6V（四節(jié)五號電池）供小車；超聲模塊供電，5V充電電池供BASYS2板供電；5VUSB移動電源供無線路由供電。四、軟件設(shè)計4.1自頂向下建模智能小車的控制電路為主處理器模式，其中主處理器負責與PC端的通信，接收超聲避障模塊的處理數(shù)據(jù)，處理后控制小車的行走。主處理器Verilog自頂向下建模圖如下所示：四、軟件設(shè)計4.2系統(tǒng)ISE框圖在所有的程序編寫完畢后，可以在ISE中生成如下所示的寄存器級邏輯電路圖，如下圖所示分別為主處理器RTL級頂級電路圖。：四、軟件設(shè)計4.2系統(tǒng)ISE框圖超聲模塊，WIFI模塊，電機驅(qū)動模塊的RTL級電路五、FPGA主控設(shè)計以及軟件代碼說明5.1小車行走模塊1.綜述剛開始設(shè)計的小車為四輪四驅(qū)的，后來由于電機的原因，四輪電機轉(zhuǎn)彎半徑特別大，后來就改用三輪二驅(qū)的了，在小車后面加了一個萬向輪。本組的小車采用控制速度差從而實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎，輪子的速度是靠PWM波的占空比的不同來調(diào)節(jié)的。兩輪速度相同且均正轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車前進，兩輪速度相同且均反轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車后退，右輪速度大于左輪速度即可實現(xiàn)小車的左轉(zhuǎn)，左輪速度大于右輪速度可實現(xiàn)小車的右轉(zhuǎn)。五、FPGA主控設(shè)計以及軟件代碼說明2.硬件設(shè)計

本組采用一塊以L298N芯片為核心的電機驅(qū)動模塊來驅(qū)動兩路電機。

L298N一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。五、FPGA主控設(shè)計以及軟件代碼說明五、FPGA主控設(shè)計以及軟件代碼說明由此我們可以列出如下的一張表來表示L298N的輸入信號和小車的行走狀態(tài)的關(guān)系（其中IN1、IN2控制左電機，IN3、IN4控制右電機）五、FP鄉(xiāng)豐GA并主控盤設(shè)計惜以及圓軟件諷代碼幫說明5.紡2小醉車超搜聲蔽本障模裁塊綜述要避匹障先臉得測因距，申而一織般做季測距治有兩量種選湖擇?；环N窄是利登用紅澆外線秤測距秘避障舉，和稅前面臉循跡攜的紅督外對醋管原表理一漏致，何是利預用發(fā)矮射出浪的紅頌外編色碼與提遇到蛇障礙律物反揚射回孕來而叨接收曲到的捷紅外性編碼樸之間叮的時宜差實纏現(xiàn)障紀礙物歡的距市離測統(tǒng)量的負。這祖種測節(jié)距方連案的安優(yōu)點逢是成憐本低宮、安釘裝電甜路簡逼單，像缺點炎是紅說外對鏟管能椒夠檢倦測的擊范圍怕很有優(yōu)限，鴿且信襯號不前是十覽分強塘。另閘一種鴨方案揉是利枯用超爪聲波出測距旋避障伍，即發(fā)利用崖發(fā)射民出的綁超聲竭波與蓮遇到舊障礙儀物反檔射回蒙來而供接收典到的輝超聲勺波信莫號之牧間的狼時差沈?qū)崿F(xiàn)此障礙硬物的察距離溉測量禍。這習種測鴨距方斧案的殖優(yōu)點切是精疾度高四，能撫夠測恩量的欠距離餡較遠憂。綜合怪考慮狐，我況們選排用超昆聲波松測距史避障剃方案柱，根慘據(jù)超椒聲波裳傳感害器的即回送漿信號服的長塑短來堡判斷鉗小車委與障飲礙物竟之間劈燕的距碼離，挽若小浮車與滾障礙想物間疲的距原離小卻于安乎全距塘離，趁則小者車右陣轉(zhuǎn)以捕避開倚障礙箭物。五、FP狡GA位主控曾設(shè)計鄙以及廣軟件蜓代碼才說明5.選2小對車超飯聲蔽號障模盜塊硬件檢設(shè)計小車噴采用匹的是千HY埋-S雨RF隨05商超聲偶波測希距模盜塊，秤其可賽提供燒2c涌m-鄉(xiāng)豐45彈0c擦m的成非接淚觸式瞞距離杰感測憲功能致，測鎖距精經(jīng)度可灑達到直3m禁m；禽模塊閣包括地超聲板波發(fā)兇射器社、接感收器偉與控緒制電開路。殺該模瓶塊有健VC退C、雜TR角IG兄、E現(xiàn)CH紙O、芒OU備T及俘GN勞D5拉個院引腳鵝，小盛車中利主要紹用的媽引腳邪為T智RI妹G和歇EC意HO清，超積聲波狀模塊韻的基果本工暫作原樓理如壤下所僵述：懂采用緒IO莖口T廈RI佳G觸拉發(fā)測銜距，扛給至坊少1麥0u是s的垃高電補平脈跌沖信植號，兩此后轎模塊敵會自假動發(fā)給送8錦個4昂0k墳hz液的超消聲波始信號悅，自鋤動檢詢測是踢否有杯信號首返回待；若役有信味號返暫回，則通貍過I濫O口霸EC都HO襪輸出隆一個手高電朵平給袍處理詠器，羨高電弱平持炊續(xù)的腥時間呢就是悉超聲炒波從棗發(fā)射硬到返四回的撕時間之，由常聲速內(nèi)、高路電平鑄時間午等參搶數(shù)即燈可算銷出小客車與給障礙全物間羊的距鄉(xiāng)豐離。燃。五、FP昏GA盟主控零設(shè)計炒以及椒軟件制代碼完說明5.攏2小效車超贏聲蔽篩障模皮塊超聲炕波模免塊的中時序喝圖如剃下所濁示：五、FP章GA休主控蠅設(shè)計顯以及武軟件捏代碼岡說明5.喇2小啄車超跑聲蔽思障模增塊軟件榜設(shè)計在本藏模塊撲中，銹我設(shè)往計的朽是每斑隔1蝕00叢ms另產(chǎn)生于一個磚寬度逗為2性0u框s的風脈沖鉤tr捧ig卷用以宗觸發(fā)仰超聲陣波模送塊發(fā)脖送超及聲波繡，并前在超植聲波耐模塊技發(fā)送白出超沈聲波篇信號賺之后模開始龜檢測奇EC霞HO伶信號鞠，得仇到E那CH裳O信聰號為披高電柄平的怨時間攤，從礦而計汽算出敬小車齊與障鋼礙物迅之間業(yè)的相敢對距要離，枕從而遇進行聾避障鴨。在激小車風與障錘礙物攀之間崇的距侮離大宰于安倆全距驢離時懸，小侵車持建續(xù)前房誠進狀憑態(tài)；遵在小島車與換障礙券物之嬌間的行距離調(diào)小于赴安全齊距離組時，截小車蛛右轉(zhuǎn)提。檢測晶EC險HO料信號淘時長只的方委法是冶檢測棄在E錫CH做O信忙號為兵高電蘿平這挑段時相間內(nèi)駕的脈容沖數(shù)模目，局我在鎖設(shè)計痛時也肥考慮籍到了沒一些撐值得閥注意揮的問靠題，牧比如醉說，困在超緊聲波未模塊威剛發(fā)躍送完猛超聲哨波時度，不甘應立飲刻檢精查E廁CH員O信架號，加因為談兩個拜超聲構(gòu)波器傾件之杠間的摧距離笨隔得扒太近犬，有惜可能瀉是發(fā)姨送模咐塊發(fā)踐送出驕的超嗽聲波頂信號境通過僚硬件嘗接觸配串擾訪到接杜收模康塊了鴿，所猴以這曲樣可絮以避支免這霧個問貼題。邁在E括CH壯O的床下降日沿根民據(jù)計礦數(shù)脈成沖的化大小澆來控澆制小牛車的唯行走尿狀態(tài)亦。五、FP掃GA籃主控連設(shè)計挨以及環(huán)軟件首代碼界說明5.帽3小巧車串覺口接轟收模盯塊硬件慈設(shè)計胞：對于微FP萌GA春的串急口通援信，充采用醫(yī)硬件彎電路飯模擬掉UA畏RT劃串口鹿的時柄序，漸接收普并發(fā)膜送數(shù)梅據(jù)。遲UA詠RT岡串口析模塊葬分為川兩部促分，防即分辦頻模鑄塊獲廁得相欣應串汗口的瘡波特幕率和傷數(shù)據(jù)娃發(fā)送鉛模塊育。假設(shè)喂數(shù)據(jù)盤的波唐特率紀為p閘，則坑所需魔時鐘檢的頻顛率為際16街*p夢。以另波特指率p腳為9撥60凱0為豈例，車系統(tǒng)僚時鐘姥為5永0M仆Hz曠，則善分頻筍系數(shù)帝為5裕00墨00旋00熊0/激(1腿6*規(guī)96和00各)塘=慘32遣5.暢5，慎取整撓為3欄25紡。通雖過計確數(shù)方隱式分蹄頻。戴波特航率分拉頻模酸塊代統(tǒng)碼見遲附錄絡(luò)。UA林RT詢發(fā)送撫模塊弓的功放能：示接收個到發(fā)束送指慶令后已，把飲數(shù)據(jù)泥按U孤AR揉T協(xié)掃議輸為出，礙先輸益出一駕個低亦電平輛的起依始位爛，然攏后從忍低到留高輸渾出8童個數(shù)斤據(jù)位合，接劍著是故可選尿的奇河偶校候驗位志，最散后是器高電泉平的物停止吃位。五、FP沃GA磚主控凱設(shè)計產(chǎn)以及籮軟件眠代碼云說明5.狹3小兩車串毛口接獵收模種塊UA跳RT店接收缺模塊包的功雞能：腔時時戴檢測展線路訊，當攤線路繞產(chǎn)生填下降熊沿時躲，即碌認為洪線路毛有數(shù)秤據(jù)傳突輸，撐啟動樣接收有數(shù)據(jù)踢進程犧進行慢接收趙，按主從低松位到渴高位早接收談數(shù)據(jù)箭。通碎過?？輸M串份口的松時序鍵即可覽編寫叫出v蛙er妹il墾og暴串口葉通信錘代碼項。U農(nóng)AR茶T串?？谕ê硇艜r桑序如吃下：發(fā)送潤數(shù)據(jù)笑過程占：空勤閑狀賭態(tài)，促線路朗處于互高電等位；芬當收紐奉到發(fā)戀送數(shù)騎據(jù)指估令后純，拉袖低線清路一招個數(shù)污據(jù)位鞠的時括間T丹，接誘著數(shù)穩(wěn)據(jù)按欺低位跨到高典位依粱次發(fā)碧送，露數(shù)據(jù)禮發(fā)送隔完畢喪后，稱接著流發(fā)送喚奇偶霸校驗酷位和障停止香位（嚴停止我位為疾高電趴位）泳，一徑幀資變料發(fā)騙送結(jié)驢束。五、FP逢GA掏主控墊設(shè)計餓以及爺軟件婦代碼曠說明5.還3小何車串繳口接眠收模僵塊接收縮慧數(shù)據(jù)院過程錦：空檢閑狀項態(tài)，劍線路倡處于薄高電軟位；逆當檢株測到鉆線路冶的下允降沿侄（線形路電依位由污高電曉位變棄為低贊電位把）時格說明赤線路桶有數(shù)膠據(jù)傳曬輸，溫按照粱約定躬的波蹦特率執(zhí)從低小位到紅高位拿接收隱數(shù)據(jù)味，數(shù)駱據(jù)接襖收完用畢后奇，接醬著接姓收并誕比較絕奇偶串校驗兵位是伏否正董確，其如果礦正確加則通林知后尾續(xù)設(shè)洲備準偏備接糊收數(shù)祥據(jù)或蠢存入鍋緩存群。由于甩UA間RT院是異喉步傳導輸，第沒有遙傳輸包同步慣時鐘沿。為靠了能奇保證走數(shù)據(jù)辨?zhèn)鬏斣锏恼醮_性門，U阿AR銜T采羨用1茄6倍估數(shù)據(jù)勞波特妹率的惕時鐘越進行陣采樣