基于FGA的手势识别智能小车

手势控制的智能小车队长：马聪 队员：李源琦 王麒炎 Logo

项目描述Contents1

总体设计2

硬件设计3

软件设计4

FPGA主控设计5Logo

一、项目描述1.1项目要求

本项目要求设计出可以利用手势控制的智能小车，该小车能够根据上外机（PC端）键盘的输出指令A（左转）,W（前进）,S（后退）,D（后退）以及P（停止）。同时可以通过PC端的内置摄像头进行手势识别并利用手势控制小车前进。同时利用无线路由器和摄像头对小车周围环境进行监控，同时将图像送回PC端。同时，利用超声模块进行简单的蔽障，使得可以自动行驶。1.2需求分析

随着嵌入式技术的发展及智能控制在人们生活中的渗透，运用智能机器人进行辅助生产和提高工作效率似乎是一个趋势。有时候我们需要监控环境变化，但人们不便直接进入；同时我们需要多方式来控制小车的运动，包括使用PC端键盘控制，手势控制等。同时，随着现代网络技术的发展，也为小车的远程控制提供了可能性。我们可以通过远程控制来进行相关操作使得小车进行运动。Logo

一、项目描述1.3硬件和软件开发工具简介硬件平台

考虑到FPGA具有实时性强、时序资源丰富的优点，我们在开发过程中使用的是Digilent公司的BASYS2开发板，该开发板是围绕着Xilinx公司的一块Spartan-3EFPGA芯片搭建的，它提供了完整、随时可以使用的硬件平台，并且它适合于从基本逻辑器件到复杂控制器件的各种主机电路。Basys2板上集成了大量的I/O设备、16个扩展I/O口和FPGA所需的支持电路，让开发者能够方便搭建无数的设计电路。软件平台

在小车端的软件开发工具主要是ISEDesignSuite13.4，ISE是使用XILINX的FPGA的必备的设计工具，它可以完成FPGA开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成BIT文件、配置以及在线调试等，功能非常强大。ISE除了功能完整、使用方便外，它的设计性能也非常好，它集成的时序收敛流程整合了增强性物理综合优化，提供最的时钟布局、更好的封装和时序收敛映射，从而获得更高的设计性能。先进的综合和实现算法将动态功耗降低了10%。另外，我们还使用了一款由Digilent公司为BASYS2开发板开发的用于下载程序的软件Adept2。

在PC端，我们利用OPENCV开源图像数据库进行手势识别与处理，同时利用C++编写串口程序，MFC编写窗体并封装。使得小车的控制程序更为美观，操作更为简便。Logo二、总体设计2.1功能描述小车为二驱或四驱，能够自由行走。利用WIFI模块进行PC端口与智能小车的通信，键盘控制小车的工作模式、轨迹以及行进与停止。利用WIFI模块进行PC端口与智能小车的通信，利用手势来控制小车的左转与右转。小车有自动和手动两种工作模式，在自动工作模式下，小车能沿着一定的轨迹运动且能够自动避障或循迹。在手动工作模式下，小车能够根据智能手机的方向控制键进行行走。小车前方有一摄像头，可以将拍摄所得的数据返回给PC端。二、总体设计2.2系统框图根据功能设计，我将智能小车细化地分为了以下几个模块：系统电路模块、小车行走控制模块、无线模块、摄像监控、意外控制模块。以下为智能小车的简要系统框图。三、硬件设计3.1硬件设计电路本项目采用的硬件平台是BASYS2开发板，将其作为主处理器使用。处理来自利用超声模块，无线模块的数据，同时控制L298N电机驱动芯片。硬件电路设计如下:三、硬件设计3.2硬件实际电路本小车采用以FPGA为主体控制芯片，而超声模块，无线接收模块，电机驱动模块，以及PC端的无线串口模块为负载模块的结构。采用三电源，两层结构。6V（四节五号电池）供小车；超声模块供电，5V充电电池供BASYS2板供电；5VUSB移动电源供无线路由供电。四、软件设计4.1自顶向下建模智能小车的控制电路为主处理器模式，其中主处理器负责与PC端的通信，接收超声避障模块的处理数据，处理后控制小车的行走。主处理器Verilog自顶向下建模图如下所示：四、软件连设计4.死2系皂统I狐SE减框图在所泽有的线程序产编写绪完毕言后，质可以井在I烫SE目中生趣成如琴下所苹示的肝寄存今器级蹈逻辑周电路性图，类如下悲图所兵示分省别为效主处鞭理器皱RT蜡L级进顶级杏电路救图。浊：四、软件读设计4.破2系栏统I株SE蓝框图超声列模块在，忧WI点FI政模块焦，电醉机驱异动模拣块的倒RT领L级预电路五、FP肉GA离主控胳设计诸以及泰软件骡代码勇说明5.号1小屯车行虾走模色块1.岂综述刚开高始设吧计的田小车善为四碌轮四楚驱的既，后恋来由失于电喜机的犹原因肺，四丽轮电索机转弱弯半井径特图别大中，后刘来就晴改用煎三轮餐二驱傅的了驼，在凡小车射后面戒加了表一个宗万向盆轮。吸本组摘的小故车采禁用控吼制速灯度差挥从而陶实现饺小车牙的转燃弯，兼轮子崭的速怜度是遣靠P茶WM孤波的激占空令比的顿不同贿来调翻节的迅。两迁轮速律度相宾同且驼均正烧转实储现小男车前润进，束两轮投速度获相同息且均典反转馒实现侄小车构后退拜，右捐轮速菌度大疤于左吗轮速筐度即呜可实位现小沫车的姻左转结，左奸轮速芽度大壳于右奥轮速源度可迁实现偷小车层的右呼转。五、FP惧GA眉主控嫌设计栏以及券软件排代码屑说明2.焰硬件字设计本组睛采用犁一块商以L覆29帖8N蜡芯片续为核杠心的翠电机膨驱动雨模块漠来驱的动两北路电龟机。L2筒98阔N一渐种高陶电压崭、大予电流贼电机乱驱动巡寿芯片劲。该帝芯片辅的主盏要特军点是筝：工译作电燃压高瞒，最绘高工睬作电领压可叫达4疲6V谜；输狼出电台流大最，瞬财间峰惑值电悼流可袍达3馋A，月持续并工作累电流斥为2鞋A；野额定体功率尖25惕W；篇内含基两个府H桥射的高爪电压变大电灿流全傻桥式浮驱动层器，唱可以践用来锋驱动剂直流猛电动许机和赢步进仍电动柴机、彻继电具器线背圈等标感性效负载营；采海用标肤准逻哗辑电鸽平信斩号控系制；救具有该两个巩使能绸控制府端，园在不页受输栗入信假影响狠的情凯况下百允许荒或禁影止器友件工步作有惠一个雕逻辑滔电源黎输入诸端，宵使内跳部逻净辑电俩路部束分在谜低电鼻压下兔工作个。使幅用L向29纯8N扎芯片亡驱动所电机接，该逢芯片松可以趣驱动携一台故两相暖步进寇电机燥或四析相步大进电掉机，扇也可宝以驱监动两俊台直释流电胀机。五、FP武GA匀主控务设计筑以及捉软件闪代码由说明五、FP刃GA学主控妄设计迹以及浩软件犹代码天说明由此染我们贝可以芳列出狠如下农的一键张表亦来表凑示L丑29县8N汤的输算入信胀号和厦小车挖的行罗走状烤态的律关系祸（其体中I数N1有、I胁N2叙控制若左电忽机，墙IN经3、贤IN盆4控倾制右场电机置）五、FP从GA挑主控备设计擦以及吊软件罪代码记说明5.叶2小织车超显声蔽击障模灾块综述要避慢障先攻得测拥距，杏而一和般做刑测距纽奉有两娃种选陶择。筝一种筋是利希用红诊外线晕测距球避障败，和浩前面卵循迹浇的红已外对滴管原宗理一洒致，训是利磨用发颗射出姐的红橡外编好码与伪遇到详障碍脂物反瞎射回搅来而辅接收察到的叉红外菠编码股之间波的时仆差实窗现障猛碍物算的距邪离测朝量的柳。这君种测挪距方碗案的烫优点使是成有本低维、安福装电类路简推单，攻缺点针是红按外对萝管能咏够检具测的狱范围郊很有忙限，纵且信施号不源是十竟分强垄。另墨一种筹方案托是利器用超外声波推测距啊避障潮，即防利用牵发射再出的剑超声范波与剑遇到勿障碍保物反寻射回碌来而冲接收但到的帽超声赴波信漏号之偶间的堵时差看实现坊障碍洪物的蔬距离是测量竭。这净种测患距方阁案的救优点贴是精丸度高厨，能锋够测窜量的叮距离邮较远计。综合品考虑模，我虚们选舅用超极声波科测距聋避障猪方案垒，根欺据超皱声波痛传感株器的尝回送狮信号简的长景短来猾判断计小车幕与障头碍物际之间娇的距免离，感若小革车与席障碍猫物间窗的距震离小属于安蜓全距欧离，慰则小灭车右带转以势避开各障碍煎物。五、FP朱GA发主控替设计喝以及枕软件爪代码正说明5.贸2小认车超踩声蔽样障模械块硬件更设计小车汪采用碎的是挎HY赏-S告RF渔05舍超声柏波测侍距模锻块，光其可谜提供京2c棍m-预45愤0c酬m的器非接定触式姻距离墙感测纲功能益，测虽距精芬度可予达到漠3m往m；嗓模块此包括开超声央波发崖射器机、接探收器黑与控冈制电夫路。怜该模突块有伤VC乔C、扫TR茶IG他、E杰CH孔O、供OU滨T及碗GN职D5尼个经引脚肯，小厘车中默主要抖用的靠引脚捞为T寻RI屡G和才EC挨HO材，超谨声波以模块今的基希本工冬作原鉴理如赌下所谣述：骆采用睬IO店口T敢RI池G触阵发测服距，像给至才少1炮0u昨s的丸高电茶平脉璃冲信烛号，岩此后扇模块崭会自桃动发轧送8胡个4坊0k梅hz优的超壶声波腾信号神，自瓦动检灾测是悲否有卵信号互返回打；若裤有信垦号返骄回，则通萄过I肢O口山EC飞HO贵输出秧一个逐高电形平给什处理穿器，谱高电蜻平持皂续的咬时间劝就是散超声吴波从决发射终到返悦回的鸦时间趟，由掉声速盆、高拖电平佣时间扬等参捆数即归可算出出小缠车与喉障碍晌物间另的距舰离。份。五、FP惯GA合主控速设计嗓以及柿软件矮代码却说明5.依2小决车超秋声蔽伍障模宋块超声客波模驰块的谨时序奶图如刮下所拍示：五、FP席GA贯主控楚设计彻以及崖软件继代码悦说明5.爬2小应车超贵声蔽落障模份块软件描设计在本醋模块浪中，菠我设腐计的罚是每霜隔1两00慈ms俭产生凝一个瞒宽度拍为2岁0u疫s的葛脉冲先tr丘ig汇用以众触发趴超声掘波模鞠块发绩送超住声波刚，并席在超烤声波准模块微发送副出超瓶声波婚信号滤之后引开始柴检测黄EC燥HO带信号然，得洪到E居CH痕O信耳号为舱高电欲平的巨时间顾，从奴而计书算出族小车佩与障扩碍物错之间造的相挽对距遵离，新从而终进行棵避障絮。在丧小车晒与障川碍物蛙之间枝的距异离大该于安瓜全距嗽离时付，小仿车持病续前冻进状症态；斗在小醉车与幕障碍列物之洋间的考距离仅小于浑安全逝距离年时，垃小车阁右转遣。检测户EC驻HO典信号职时长图的方裂法是匹检测烛在E药CH愿O信唤号为禽高电朴平这滋段时泊间内面的脉撑冲数执目，揭我在屡设计谨时也竭考虑迫到了辱一些踏值得垄注意活的问叨题，邪比如扛说，承在超互声波雄模块屈刚发兽送完解超声手波时锯，不昼应立半刻检芒查E借CH干O信侵号，桑因为扒两个乞超声裤波器辫件之忧间的装距离达隔得杂太近亚，有抖可能扣是发认送模趁块发猛送出乡丰的超兵声波嫩信号狠通过松硬件修接触捉串扰日到接晨收模乐块了饺，所姑以这击样可捏以避调免这售个问怀题。辣在E盟CH摧O的腥下降枕沿根著据计册数脉絮冲的牢大小沉来控幕制小读车的买行走射状态溉。五、FP球GA京主控音设计美以及顷软件知代码茅说明5.亿3小伴车串丽口接饿收模棚块硬件韵设计册：对于误FP馆GA怨的串位口通辽信，减采用说硬件厨电路掘模拟匙UA例RT佣串口区的时败序，富接收塘并发猛送数议据。桃UA糠RT枣串口励模块素分为冈两部铲分，是即分但频模吸块获惜得相觉应串凯口的卡波特居率和怕数据过发送壁模块好。假设蜜数据絮的波线特率事为p翼，则锦所需集时钟傅的频偏率为聋16弊*p创。以拣波特似率p以为9六60忍0为巷例，扩系统期时钟漫为5回0M运Hz胁，则晴分频伏系数备为5弃00镰00乏00扬0/群(1芦6*匀96句00尿)墙=影32隔5.馅5，衫取整仇为3端25植。通徒过计喜数方瞎式分嘴频。懂波特老率分芒频模默块代乘码见削附录波。UA始RT售发送灯模块爱的功堪能：半接收狂到发熔送指索令后年，把咽数据域按U橡AR均T协乓议输孙出，贸先输狠出一兰个低腥电平曲的起搂始位卡，然料后从朽低到得高输挑出8殊个数微据位爸，接后着是酒可选近的奇盆偶校敬验位毁，最瓶后是幻玉高电至平的必停止蛇位。五、FP雁GA真主控由设计幅以及怜软件问代码绒说明5.肺3小张车串攻口接既收模玩块UA拉RT轿接收栏模块晕的功样能：易时时吃检测还线路然，当努线路症产生梯下降追沿时如，即逢认为邮线路舒有数枝据传棒输，摘启动核接收脖数据棍进程住进行移接收驳，按势从低水位到垃高位桂接收梅数据具。通嘴过模谨拟串腰口的瞒时序搏即可姓编写携出v浊er压il纯og拌串口找通信趁代码芦。U患AR堆T串忘口通剖信时跌序如标下：发送育数据绣过程夜：空典闲状极态，歪线路秆处于着高电吨位；皇当收门到发浊送数康据指塌令后满，拉惨低线斑路一辞个数拥据位薯的时夕间T激，接贱着数皂据按回低位织到高径位依役次发藏送，琴数据泰发送立完毕缝后，醉接着劣发送滥奇偶汉校验宴位和仰停止候位（求停止淋位为伶高电称位）岭，一石帧资将料发昼送结帅束。五、FP材GA在主控矮设计财以及暮软件捡代码请说明5.并3小覆车串司口接夫收模融块接收搭数据削过程抄：空缎闲状厨态，咱线路那处于绝高电川位；歌当检屿测到惕线路过的下辜降沿待（线辆路电伶位由销高电姨位变萝为低支电位拿）时献说明推线路踢有数誉据传竭输，苦按照筹约定跨的波庙特率想从低蛮位到派高位掉接收伏数据潜，数光据接拥收完举毕后葡，接织着接风收并奸比较掘奇偶冷校验体位是镇否正集确，握如果太正确油则通幕知后孤续设桨备准此备接铃收数洁据或触存入锦缓存神。由于悦UA辫RT原是异拥步传戴输，孕没有毛传