游中国设计报告

1、侏罗纪工作室设计总结报告封面（ 2010 级）设计题目：设计题目： 基于 CPLD 的机器人游中国型车设计 设设 计计 者：者： 张 旭 设计时间：设计时间： 2012 年 11 月 25 日 至 2012 年 12 月 20 日 简短评语教师签字目 录1.设计概述.11.1.编写目的.11.2.研究背景.11.3.开发运行环境.31.4.功能描述.32.总体设计（或者设计结构）.42.1.硬件设计结构.42.2.软件设计流程.53.硬件模块设计.73.1.小车底盘及上身机械结构.73.2.电机及驱动模块.73.3.传感器模块（灰度、激光、红外）.94.软件模块设计.124.1.舵机控制模块.

2、125.设计特点.166.设计总结.177.参考文献.178.附录.18基于 CPLD 的机器人游中国型车设计11.1.设计概述设计概述1.1.1.1. 编写目的编写目的VHDL作为一种硬件描述语言，可用于数字电路与系统的描述、模拟和自动设计与仿真等，是当今电子设计自动化的核心技术。作为VHDL语言的载体CPLD/FPGA适用于高速数字信号处理它的并行处理方式奠定了它快速处理数据的能力。根据FPGA/CPLD的这些特点更加要求设计者对于整体的框架结构的把握和设计这也是它的最难掌握的地方之一。这次设计机器人游中国型车就是以系统的方式来锻炼我们对CPLD的熟练应用以及让我们学会怎样设计一个简单的数

3、字系统。（1）学习，巩固和加深cpld的基本知识并且能够比较熟悉的掌握vhdl-硬件描述语言。（2）培养我们模块化和系统统筹的学习能力，并且培养我们查阅资料和阅读资料的能力而且培养了我们的自学能力。（3）通过初步的学习和实践使我们也基本了解了cpld的基本的学习思路和方法。（4）编写设计报告是对前一段时间学习的总结也是对以后的学习做了很好的铺垫。（5）通过此次的较为系统的设计机器人游中国型车为我们设计一个系统奠定了很好的基础，并且以时间为界限是我们在规定的时间内完成一项设计对时间的统筹安排的能力。编写这份报告主要是对前一阶段工作的总结以及对自己学习结果的检查。并且在这份报告中我会着重来介绍我在

4、机器人硬件机械结构设计、电路设计以及机器人上身舵机控制的设计。1.2.1.2. 研究背景研究背景a本次设计是基于 cpld（EPM1270T114C5N）作为主控制器。b设计题目是基于 cpld 的机器人游中国型车c对于这个设计课题前人已经有很多年的积累和经验了并且已经做得比基于 CPLD 的机器人游中国型车设计2较的成熟了。据我通过查资料了解机器人游中国大部分都是基于单片机来控制的有 51 单片机有 avr 单片机（8 位）并且还有 32 位单片机但是很少有人用 cpld 来做控制电机的运动。虽然说 cpld 是并行处理的速度快但是在设计状态机时对于时序的把握和要求是比较高的。毕竟 cpld

5、 相对于单片机来说掌握起来是比较难的而且成本相对来说是比较高的。对于这个项目来说不管在软件还是硬件都已经很成熟了，有一型、二型、三型、重型等种类，所用传感器也是种类繁多比如红外、激光、灰度、碰撞开关等等。所用的控制平台也是百花齐放如 51 单片机、avr 单片机、pic 单片机、32 位单片机以及 arm 和 CPLD/FPGA。当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。现在 国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得

6、十分逼真。作为机械行业的代表产品汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高，呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车的价值量比例逐步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点；二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。毋庸置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛、中国机器人大赛 Robcup

7、 公开赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。本设计是以机器人大赛 Robcup 公开赛中的机器人游中国为背景设计的，在机械结构方面，我们分析了电机转向系统的改进办法，采用四轮驱动通过两路 pwm 波来控制，上身采用人形由八个自由舵组成。在电路方面，我们以模块形式分类，在最小系统、主控制芯片、电机驱动、红外对管、激光传感器这几个模块分别设计，在查资料的基础上分别实验，最后决定了我基于 CPLD 的机器人

8、游中国型车设计3们的最终电路图。在算法方面，我们使用 vhdl 语言编程，利用 Quartus 8.0 开发工具调试程序，在这套算法中，我们结合路况调整车速，能更好的做到角度和速度的响应，但是在过米字型路口时算法还不是太好反应不是太灵敏。项目的提出者是王老师项目开发者 张旭 安晓春 万茂江系统运行环境：EPM1270T114C5N 最小系统板软件运行环境：Quartus 8.01.3.1.3. 开发运行环境开发运行环境系统运行环境：Altera 系列 MAX cpld 芯片，EPM1270T114C5N软件运行环境：Quartus 8.0 Windows 7 操作系统内存 2GB1.4.1.4

9、. 功能描述功能描述从设计的背景来看我们设计的机器人游中国小车所要完成的基本功能就是能够在规定的线路上进行自主循迹、拐弯（包括直角弯和圆弧）、避障而且还能识别米字型的交叉路口并且在规定的出发区利用机器人的自由舵来完成一套简单的动作，还能过减速板、门槛和桥。由于刚开始做这个设计所以我们不管是在硬件还是在软件方面都存在考虑不太周到的问题，所以，大部分功能都没能实现只是实现了循迹、转弯和避障的基本功能。循迹是通过灰度传感器和白线的相对位置来实现自主循迹。即当前后排中间的两个灰度同时打到白线上时小车加速前进，当前面或后面中间的灰度没有在白线上时小车左右轮速度经过调整使灰度重新回到中间的白线上来。这样就

10、实现了机器人的自主循迹。基于 CPLD 的机器人游中国型车设计4转弯功能的实现是靠激光和灰度来共同完成的。我们利用激光的前瞻性和直线性来检测弯道（直角弯道）即当左右两个激光中的任何一个检测到白线时小车开始减速当小车腰间的灰度检测到白线时小车开始转弯即给左右轮不同的 pwm 波或是给相反的pwm 波视具体情况而定。避障主要是利用红外传感器和碰撞开关来实现的即当红外传感器检测到障碍物时机器人减速然后后退以实现避障。2.2. 总体设计总体设计（或者设计结构）（或者设计结构）2.1.2.1. 硬件设计结构硬件设计结构我们设计的机器人的硬件设计主要包括以下几个部分：（1） 车体及人形上身的机械结构设计（

11、2） 各种传感器的（焊接）及调试安装（3） 直流减速电机和舵机的安装 （4） 主控电路的焊接调试及安装下图是机器人的整体框架以及硬件电路的框架STC89C52RC腰间灰度左边电机 激光传感器腰间灰度右边电机 小车底盘前排灰度传感器以及红外传感器激光传感器后排灰度传感器基于 CPLD 的机器人游中国型车设计5小车底盘结构上身主要是由八个舵机来组成的具有基本的人形。就不在多做叙述。主控制器的基本框架结构主控制器 CPLD 处理激光传感器红外传感器灰度传感器碰撞开关驱动舵机转动驱动电机循迹模块后退模块碰撞开关转弯模块最小系统框图基于 CPLD 的机器人游中国型车设计62.2.2.2. 软件设计流程软

12、件设计流程开始基于 CPLD 的机器人游中国型车设计7小车调整位置中间灰度在白线上？灰度检测NY小车循迹减速激光打在白线上？NY腰间灰度检测白线？NY转弯前排灰度检测白线？NY结束基于 CPLD 的机器人游中国型车设计83.3. 硬件模块设计硬件模块设计3.1.3.1. 小车底盘及上身机械结构小车底盘及上身机械结构本模块主要是对小车的机械加工部分的介绍。此次设计小车底盘采用的是 5mm 的树脂板作为支架然后分别将各个模块以及其他的硬件部分固定在上面。上身主要采用 2mm 的树脂板作为身体躯干，而手臂部分则采用基本的舵机套件加以固定来完成。3.2.3.2. 电机及驱动模块电机及驱动模块我们此次采

13、用的电机是直流减速电机其基本参数如下： 电电压压无负荷无负荷最大效率点最大效率点堵转堵转L L 尺寸尺寸转速转速电流电流转速转速电流电流转距转距功率功率转距转距电流电流减速器减速器型号型号V Vr/minr/minMAMAr/minr/minA AKg.cmKg.cmW WKg.cmKg.cmA AMMMMJGB37-545-8JGB37-545-81212100010001001006756750.50.51010121215151.61.623.523.5减速比为：40:1最大功率计算方法：m*n=p （m 为转矩(N*m)、n 为转速（r/min）、p 为功率（kw）驱动及基本参数驱动及

14、基本参数：本驱动器采用完整的两片半桥驱动芯片极低内阻的 N 沟道 MOSFET 组成。完整的两片半桥驱动芯片可靠的驱动方式，使 MOSFET 的开关损耗降至最低。提高电源利用率。MOSFET 驱动芯片自带硬件刹车功能和电能反馈功能。本驱动器优于集成功率芯片方案功率余量低和其他半桥组合方案中时序协调复杂问题和互补驱动问题。MOSFET 采用 N 沟道 IRF3205 MOSFET，使用两片专用半桥驱动芯片，对上管采用自举电容，使上管有足够的驱动电压，可快速使 MOSFET 沟道打开，提高电机的加速曲率，同时也能迅速的为电机制动。这可以使的的小车能迅速启动也能迅速杀车。基于 CPLD 的机器人游中

15、国型车设计9本驱动器可以工作在 0-99的 PWM 调制占空比，使电机可以得到足够的驱动电压。控制信号：控制信号：注意：PWM 信号不能为 100%，悬空默认为高电平电机正转：DIR=1 PWM=PWM电机反转：DIR=0 PWM=PWM停车刹车：DIR=X PWM=0电机与电源连接：电机与电源连接：POWER 接电源的正极，GND 接电源负极。两路电机分别接 MOTOR1,MOTOR2产品性能参数：产品性能参数：额定电压：3v-36v(可以根据用户订做)额定电流：30A峰值电流：110A基于 CPLD 的机器人游中国型车设计10接线方式：接线方式：电机正转：DIR=1 PWM=PWM（方波）

16、电机反转：DIR=0 PWM=PWM停车刹车：DIR=X PWM=0注意：PWM 不能为 100%，也就是说在有负载的情况下不能直接接高电平或悬空3.3.3.3. 传感器模块（灰度、激光、红外）传感器模块（灰度、激光、红外）灰度传感器顾名思义是通过灰度的改变及颜色的反差来实现区别不同的道路状况以实现循迹。下面介绍一下我们这次所用的灰度传感器及电路原理：灰度传感器电路原理:灰度传感器原理灰度传感器原理灰度传感器是模拟传感器，有一只发光二极管和一只光三极管，安装在同一面上。灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。在有效的检测

17、距离内，发光二极管发出蓝光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。灰度传感器调节方法灰度传感器调节方法灰度传感器上无信号指示灯，但是配有检测颜色返回模拟量大小调节器。欲使检测给定的颜色时，可以将发射/接收头置于给定颜色处，配合调节器即可调出合适的返基于 CPLD 的机器人游中国型车设计11回模拟量。方法如下：将调节器逆时针方向旋转，返回模拟量变大；将调节器顺时针方向旋转，返回模拟量变小；可以一直调节直到你需要的数值为止。若需要准确的模拟量，可以用程序在液晶屏幕上显示，配合调节器即可调出准确的模拟量。注：用螺丝刀旋转调节器时，不要旋的太快，

18、也不要旋的太用力，以防旋坏，在发现旋不动时，应马上停止。灰度传感器注意事项灰度传感器注意事项1、 检测面的材质不同也会引起其返回值的差异。2、 外界光线的强弱对其影响非常大，会直接影响到检测效果，在对具体项目检测时注意包装传感器，避免外界光的干扰。2、 根据它的工作原理，是光敏根据检测面反射回来的光线强度，来确定其检测面的颜色深浅，因此测量的准确性和传感器到检测面的距离是有直接关系的。在机器人运动时机体的震荡同样会影响其测量精度。红外传感器介绍： 这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避

19、障、流水线计件等众多场合。原理：前方无障碍输出高电平 1，有障碍输出口（黄色）电平会从高电平变成低电平(0)，工作原理已经标在图上了。背面图有一个电位器可以调节障碍的检测距离。基于 CPLD 的机器人游中国型车设计12在电路设计中可以再输出端黄线加上拉电阻 10K 到 5V，再接入单片机检测，会比较稳定，单片机检测可以采用外部硬件中断 INT0 INT1 等来实现，或者直接接在 cpld的 I/O 口上进行判定。电气特性：U:5VDC I:100mA Sn:3-80CM（检测的有效距离）尺寸： 直径:17MM 传感器长度:45MM 引线长度:45CM激光传感器：激光具有 3 个重要特性:高方向

20、性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；高单色性，激光的频率宽度比普通光小 10 倍以上；高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。我们利用激光的这些特性来检测前方的道路速度和精度都是很高的。激光传感器原理： 激光传感器由两部分构成，一部分为发射部分，一部分为接收部分。发射部分由一个振荡管发出 180khz 频率的振荡波后，经过三极管放大，激光管发光；接收部分由一个相匹配 180khz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入 S12 单片基于 CPLD 的机器人游中国型车设计13机或 cpld 处理芯片进行处理，检测返回电压的高低。由于激光传感器使

21、用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射光的影响。另外，配合透镜使用，接收效果和抗干扰能力更强。4.4. 软件模块设计软件模块设计4.1.4.1. 舵机控制模块舵机控制模块开始数据初始化使能有效？Y分频（50hz）产生 7 路 pwm 波控制舵机结束N基于 CPLD 的机器人游中国型车设计14VCCclkINPUTVCCenINPUTpwm1OUTPUTpwm2OUTPUTpwm3OUTPUTpwm4OUTPUTpwm5OUTPUTpwm6OUTPUTpwm7OUTPUTclkdata116.0data216.0data316.0data416.0data51

22、6.0data616.0data716.0jiaoduinstclkenduty116.0duty216.0duty316.0duty416.0duty516.0duty616.0duty716.0pwm1pwm2pwm3pwm4pwm5pwm6pwm7pwm_outinst1舵机控制模块电路原理图pwm 波输出模块：-*-name:pwm_out.vhd-function:duoji zhuan dong -edit:-time:2012/12/17-*-top file-*library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic

23、_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity pwm_out isport(clk : in std_logic; en : in std_logic;duty1: in integer range 0 to 125000;duty2: in integer range 0 to 125000;duty3: in integer range 0 to 125000;duty4: in integer range 0 to 125000;duty5: in integer range 0 to 125000;duty6: in integer

24、 range 0 to 125000;duty7: in integer range 0 to 125000;pwm1 : out std_logic;pwm2 : out std_logic;pwm3 : out std_logic;pwm4 : out std_logic;基于 CPLD 的机器人游中国型车设计15pwm5 : out std_logic;pwm6 : out std_logic;pwm7 : out std_logic);end pwm_out;architecture behav of pwm_out iscomponent pwm_make is -元件例化产生 7

25、路 pwmport(clk : in std_logic;zkb : in integer range 0 to 125000; en: in std_logic;pwm : out std_logic);end component pwm_make; beginu1:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty1,pwm=pwm1); -端口映射u2:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty2,pwm=pwm2);u3:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty3,pwm=pwm

26、3);u4:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty4,pwm=pwm4);u5:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty5,pwm=pwm5);u6:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty6,pwm=pwm6);u7:pwm_make port map(clk=clk,en=en,zkb=duty7,pwm=pwm7);end behav;-*-name:pwm_make.vhd-*-library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use

27、 ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity pwm_make isport(clk : in std_logic;zkb : in integer range 0 to 125000; en: in std_logic;pwm: out std_logic);end pwm_make;architecture behav of pwm_make issignal count : integer range 0 to 1000000;signal pwm_tmp : std_logic;signal cnt:

28、integer range 0 to 125000 ;begin基于 CPLD 的机器人游中国型车设计16 p1:process(clk,en) begin if (en = 0) then -hongwai pwm_tmp = 1; count = 0; elsif(clk = 1 and clkevent) then if (count = zkb-1) then pwm_tmp = 0; count = count+1; elsif(count =999999) then pwm_tmp = 1; count = 0; else count = count+1; end if; end

29、if; end process; pwm=pwm_tmp; end behav;数据初始化模块（控制舵机转动角度）源代码：-*-name:jiaodu.vhd-function:duoji zhuan dong de jiaodu-edit:-time:2012/12/17-*-top file-*library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity jiaodu is port (clk : in std_logic;data1,

30、data2,data3,data4,data5,data6,data7 : out integer range 0 to 125000);end jiaodu;architecture behav of jiaodu issignal dz:integer range 0 to 3;signal clk_1:std_logic;signal zj,zw,zs,yj,yw,ys,tou:integer range 0 to 125000;begin基于 CPLD 的机器人游中国型车设计17 data1=zj;data2=zw;data3=zs; data4=yj;data5=yw;data6=y

31、s; data7=tou; p1:process(clk) variable cnt:integer range 0 to 50000000; begin if clkevent and clk=1 then if cnt=24999999 then clk_1=not clk_1; cnt:=0; else cnt:=cnt+1; end if; end if; end process p1;p2: process(clk_1) begin if clk_1event and clk_1=1 then if dz=3 then dz=0; else dzzj=75000; zw=65000;

32、 zs=65000; yj=65000; yw=65000; ys=65000; touzj=75000; zw=65000; zs=65000; yj=65000; yw=65000; ys=65000; tou=65000; end case; end process p3;基于 CPLD 的机器人游中国型车设计18 end behav;5.5. 设计特点设计特点本次设计我们采用 cpld 芯片作为主控芯片，实现快速处理数据并且采用并行输出。由于我们考虑到机器人要上珠峰和桥所以我们在选择电机的时候选择了大扭矩高功率的直流减速电机，选择了 15kg.cm 的扭矩 1000r/min 的转速的电机这样电机就满足了设计和环境的要求。为了使小车底盘的强度能满足要求我们采用了 5mm 的树脂板作为底盘材料。还有就是我们为了使小车能够快速灵敏的在弯度处进行转弯我们采用了激光传感器的对白线进行检测当检测到白线使先进行减速然后和腰间灰度配合进行转弯。采用激