基于FPGA的智能小车设计

　　智能监控机器人是近年来机器人应用工程中一项前沿性的题目，智能化探测小车是智能行走机器人的一种。智能监控机器小车就是针对上述情况，在参考了目前大多数智能机器人的基础上，以降低成本为原则设计的。小车具备温湿度和环境监测、无线通信、躲避障碍物以及无线遥控等功能。此智能监控机器小车与目前已有的同类设计相比，有性价比高、操作方便、可靠性好、功耗小等优点。

　　1 系统结构及硬件设计

　　整个系统由发送端(智能小车部分)和接收端(控制台：控制和显示部分)组成，如图1所示。系统由传感器系统、动力及转向系统、CCD图像传感器模块、LCD显示、温度和湿度测量电路和供电系统等组成，整个系统的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484为核心，在Altera公司的QuartusⅡ和SoPC Builder开发环境中完成。根据系统硬件结构添加所需要的外围模块并生成NiosⅡCPU。

　　1.1 供电系统

　　小车安装了两块充电电池，分别为FPGA开发板(FPGA控制电路)和小车运动提供能量，电池置于车身底部。

　　1.2 传感器系统

　　系统采用了6个红外对射传感器，通过FPGA配置的NiosⅡCPU来检测传感器信号实现小车躲避障碍物的功能。漫反射型红外对射传感器也称光电开关，是一种集发射器和接收器于一体的传感器，多用于检测障碍物。原理是由光电开关辐射出来的调制红外光束被检测物体反射回来，红外线经同步选通接收，由电子开关线路驱动回路，从而来检测物体的有或无。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。这种电路模块体积小，信号容易转化为标准电平。

　　1.3 动力及转向系统

　　本小车有左右轮两个电机及龟机驱动。驱动电路采用了CT Microelecttonics公司的大功率直流电机驱动芯片L298，最高支持50 V电压，最大电流为5 A，满足大功率电动机的要求，外围电路简单，同时，由于该芯片为双路结构，分别控制左右电动机，增加了电路的可靠性，减少了复杂性。电机控制采用PWM脉冲宽度调制方式来控制汽车的前进速度。由NiosⅡCPU写入控制字，可得到不同占空比的PWM驱动信号，此PWM信号送入电机驱动芯片的控制端来调节速度。

　　1.4 小车自动避障系统

　　小车自动避障系统采用Verilog HDL语言编写驱动电路。该模块(见图2中的MOTOR)和一个数据选择器(见图2中的select_2)相连来实现自动避障与人工遥控之间的切换。当小车上NiosⅡCPU的SEL管脚输出低电平时，数据选择器将把该模块的输出作为电机的控制指令。这样设计的好处在于设计具有响应迅速，不需要NiosⅡCPU参与，提高了CPU处理湿度、温度数据并控制无线模块收发数据的效率。该逻辑电路的工作原理是根据红外传感器发回来的数据，经过逻辑判断来控制电机的工作状态。