#### 基于RSICV@FPGA的两轮平衡车 

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### 一、项目简介

#### 1.开发人员: 
  * 浙江大学研究生 **吴健**
  * 上海工程技术大学研究生 **张大桂**
  * 重庆大学研究生 **张祥**
  * 西交利物浦本科生 **刘振邦**

#### 2.项目功能：
  * 两轮自平衡小车； 
  * 自动避障功能； 
  * 电脑遥控功能。 

#### 3.总体设计：
首先，确定项目整体框架：关键器件、各个模块、电源和主板PCB；然后使用Quartus植入RSIC-V软核，设置各种外设：I2C、PWM、HC-SR04、UART、ENCODER，融合直流电机、姿态传感器信息以及超声波模块，使用卡尔曼滤波以及PID算法，调整参数，使小车能够平稳运行并实现避障，并使得小车能和手机电脑等电子设备终端通信，实现远程遥控。

### 二、PCB模块

#### 1.项目设计流程

##### 1.1整体方案  

{{ :平衡小车框图.jpg?600 |}}  

##### 1.2关键器件
  - 降压芯片LM2575-N {{:lm2575-n.pdf|}}  
  - 模数转换芯片ADC081S101{{:adc081s101.pdf|}}    
  - 电机驱动芯片TB6612{{:tb6612_datasheet.pdf|}}   
  - 电平转换芯片74LV8T245{{:74lvc8t245_datasheet.pdf|}}    
  - 六轴姿态传感器mpu6050{{:mpu6050寄存器英文版本.pdf|}}{{:mpu6050原版英文手册.pdf|}}    
  - 编码器{{:2.编码器使用教程与测速原理.pdf|}}  
  - 超声波传感器模块HC-SR04{{:超声波测距模块_hc-sr04_用户手册.pdf|}}  
  - 蓝牙通信HC-05{{:hc-05.pdf|}}  
  - PWM外设{{:m10_pwm_trm.pdf|}}

##### 1.3电路设计和PCB  
1.电源模块：  
a.原理图:{{:电源模块原理图.pdf|}}  
{{ :电源模块原理图.png?600 |}}    

b.PCB版图：{{:电源模块pcb版图1.pdf|}}  
{{ :电源模块pcb版图.png?600 |}}  
  
2.主板  
a.原理图：{{:project.pdf|}}  

{{ :平衡小车原理图.png?1200 |}}

b.PCB版图：{{:主板pcb版图1.pdf|}}  
{{ :平衡小车主板pcb.png?1200 |}}

##### 1.4心得

#### 2.项目调试  

##### 2.1功能调试  
1.电源板功能调试： 
a.电池接口接错了，易造成短路；       
b.电源板应能输出一路5V的电压和四路12V的电压，   
c.检查电容极性是否接反。  
  
2.主板功能调试：
a.各个模块的电源和地是否短路；      
b.电源板供电给各个模块是否正常。  

##### 2.2问题和解决办法
1.问题：  
a.在电源模块中，电池接口接错了；  
b.在主板中，12V的电源线画太细了，可能不足以支撑5A的电流；  
  
2.解决办法：  
a.重新绘制电源模块的PCB版图，注意电池接口的极性；{{ :电池接口.png?400 |}}  
b.重新绘制主板的PCB版图，把电源线加粗；  

##### 2.3遗留问题

##### 2.4调试总结
在有电池接口的版图设计时，需要注意三座接口的管脚问题，注意电源与地别短路。

#### 3.项目总结 
  - 项目设计初期，项目框图要考虑清楚，项目需要用到哪些模块或是器件；  
  - 在绘制原理图和PCB版图要严格按照datasheet上的信息，包括管脚分配，管脚极性等；
  - 调试时也需要注意一些以前没用过的器件，其管脚分配的问题。

### 三、FPGA模块
#### 1.项目设计  
{{ :项目设计.png?400 |}}
#### 2.硬件连接  
{{ :硬件连接2.jpg?400 |}}  

#### 3.工作原理    
  - 在Quartus里，添加了基于RSIC-V软核的各种平衡小车需要的的外设接口，比如输出PWM波，通过处理超声波测距，通过读取编码器脉冲读取速度，ADC模块以及OLED屏模块的SPI接口，读取MPU6050数据的I2C接口，以及蓝牙模块的UART接口，然后将硬件代码通过Quartus烧入FPGA中。
  - 在Arduino开发环境下，开发C++程序，调用各种外设，完成小车平衡所需要的算法。然后通过make编译生成可执行文件，通过Python代码载入工具，上传编译好的程序。

#### 4.代码实现
##### 4.1模块划分  
  - MPU6050读取姿态信息模块
  - 编码器读取速度模块
  - 蓝牙通信模块
  - 电机驱动模块
  - 超声波测距模块
  - ADC读取电源电压以及OLED显示模块
  - ESP32远程操纵模块
  - PID算法模块 

各个模块代码汇总如下 {{:software.zip|}}

##### 4.2关键模块实现
###### 4.2.1 MPU6050读取姿态信息
通过编写好的I2C接口，读取MPU6050的数据。首先在MPU6050的相关寄存器写入数据，初始化MPU6050寄存器。然后按照I2C协议通过指定的寄存器读取的三轴加速度以及角  速度数据。  

在C++语言里代码如下:  
{{:mpu6050_0.png|}}
{{:mpu6050_1.png|}}
{{:mpu6050_2.png|}}

###### 4.2.2 PID算法实现  
  PID算法分为 直立控制PD反馈，速度控制PI反馈，转向控制P反馈。使用卡尔曼滤波读取平滑且做过预测的角度，速度数据，然后进行反馈控制。  
  在C++语言里代码如下:  
{{:直立控制_1.png|}}
{{:速度控制_1.png|}}
{{:转向控制_1.png|}}
{{:超声波.png|}}


######4.2.3 编码器转速读取模块 
  在电机固定转速下，编码器会输出固定的脉冲数，通过读取脉冲数来读取速度。  
  在Verilog里代码如下：  
{{:encoder.zip|}}

######4.2.4 超声波测距模块
  HC-SR04模块会隔一段时间发送一个trig信号，触发超声波的发送。然后会接到一段高电平的信号，高电平的持续时间与前方障碍物的距离成正比，以此计算前方距离远近。  
  在Verilog里代码如下：  

{{:hc_sr04.zip|}}  

###### 4.2.5 ADC转换以及OLED显示模块  
  ADC会接收到电源电压的模拟信号，然后转化为数字信号发送给FPGA，我们将转化的数据显示在OLED屏上。  
  在Verilog里代码如下：  
 {{:lcd.zip|}}  

{{:adc081s101.zip|}}

###### 4.2.6 蓝牙通信模块  
  HC-05芯片通过UART接口与FPGA实现远程通信。  
{{:uart_hc-05.zip|}}

###### 4.2.7 ESP32远程操控模块 
{{::esp32pic.png?200|}}
{{:esp32.zip|}}
##### 4.3关键知识点、难点  
###### 4.3.1RSIC-V  
{{:reindeer_step_cyc10nano.rar|}}      
{{:riscv笔记.docx|}}

###### 4.3.2卡尔曼滤波  
由于小车运行期间，MPU6050芯片提供的数据夹杂有较严重的噪音，在芯片处理静止状态时数据摆动都可能超过2%。除了噪音，各项数据还会有偏移的现象，也就是说数据并不是围绕静止工作点摆动， 因此需要通过滤波算法消除噪音。对于夹杂了大量噪音的数据，卡尔曼滤波器的效果无疑是最好的。一个卡尔曼滤波器接受一个轴上的角度值、角速度值以及时间增量，估计出一个消除噪音的角度值。跟据当前的角度值和上一轮估计的角度值，以及这两轮估计的间隔时间，还可以反推出消除噪音的角速度。我们使用滤波过后的角度和角速度来作为PD控制里的角速度。（记住输入的角度值、角速度值的方向一定要匹配，否则会得到错误的滤波数据）。  

######4.3.3PID算法   
所谓PID控制，就是对偏差进行比例、积分和微分的控制。PID由3个单元组成，分别是比例（P）单元、积分（I）单元、微分（D）单位。在工程实践中，一般P是必须的，所以衍生出许多组合的PID控制器，如PD、PI、PID等。  
{{:pid控制.png?500|}}    
{{:pid.png?500|}}
{{:直立车参考方案_飞思卡尔官网文件_经典_.pdf|}}   

###### 4.3.4调试

#### 5.运行结果
经过实验，通过搭建在FPGA上的RSIC-V的软核处理器以及添加的各种外设，最后能让小车平稳运行，加减速，转弯，以及遥控。基本能实现预期的功能。  

{{ab2b13b5b0bc8b3a0c3804311cc18d4c.mp4|用RISCV@FPGA制作的自平衡车}}

### 四、项目总结
一个多月的培训终于结束了，感觉收获很多。仔细回味，有很多做的不足和需要改进的地方。
  - 前期做板子、器件选型一定要仔细认真，反复比对，最好还要进行模拟仿真，否则到后期调试的时候很容易出现某个错误，导致不得不回炉重做，大大浪费时间。
  - PID调参是一个很漫长的过程，在其中会遇到很多坑，一定要注意自己的每一步操作（MPU6050以及编码器读数、读数校准、滤波、算法等等）的正确性，某一个环节出现了问题，就无法使小车平衡。记得如果长时间都不能调出正确的参数，一定要反过头来想一想每个环节是否有一些漏洞或者错误。
  - 硬件问题多如牛毛，排BUG一定得有耐心，切勿钻牛角尖。