#### 今日推荐： 六足机器人(hexapod robot)控制板

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项目参与人员：

  * 成都信息工程大学大四学生[[page_hankun.zhang|张瀚坤]]
  * 北京石油化工学院硕士研究生[[page_jiwei.ren|任继伟]]
  * 复旦大学硕士研究生[[page_haoqian.li|李豪乾]]

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#### 功能要求

基于小脚丫FPGA板和树莓派设计六足机器人控制和驱动系统。

- 摄像头采集
- 避障
- 手机遥控


#### 性能要求

- 运动流畅
- 电源能够保障持续工作20分钟以上

### 项目方案

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#### 方案综述：

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 * 1.控制电源模块：为Raspberry Pi、FPGA模块供电。
 * 2.执行电源模块：为驱动模块供电，能满足驱动模块的总电流要求。
 * 3.Raspberry Pi ：控制中心。接收上位机的控制信息，控制FPGA输出正确的PWM波形。
 * 4.FPGA:数据处理模块，控制驱动板。
 * 5.驱动模块：驱动18个舵机使六足协调运动。
 * 6.通讯：（模块间的通信协议）

   * Pi--FPGA：uart/I2C

   * Pi--PC：socket 


#### 购买清单：


{{ :购买清单.png |}}

#### 关键元器件及参数：

*  电源：

   * CKCY BUCK2+ 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.51.15cb64f8FBM5CY&id=542881952197&ns=1&abbucket=18#detail

   * LION Power 购买链接：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.45.35ff5585UyWOUv&id=545235225719&ns=1&abbucket=20#detail


{{ :控制电源.png  |}}

{{ :电源2.png  |}}



* SN74LVC244A八路缓冲器（3个）：

   * SN74LVC244A具有三态输出的八路缓冲器或驱动器数据表： http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc244a.pdf


*  FPGA：

{{ :fpga.png  |}}


*  舵机:LDX-218

{{ :舵机.png  |}}


* 自恢复电阻丝

{{ :自恢复电阻.png  |}}

*  铝质电解电容器-SMD

   * 数据表：https://www.mouser.cn/ProductDetail/United-Chemi-Con/EMZR100ARA102MHA0G?qs=sGAEpiMZZMukHu%252BjC5l7YapRGWlqrIlqhjJ7X3G6n3Q%3D


{{ :电解电容.png  |}}



*  树莓派3b+  

[[http://www.eetree.io/doc/rpi#%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE%E7%9A%84%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E5%8F%8A%E9%85%8D%E7%BD%AE|树莓派的硬件及配置]] 


* 摄像头CSI摄像头



#### 实施计划： 

##### 第一阶段：实现六足机器人的各个模块连接

 * FPGA ：
   * PWM ：测试 PWM波形测试（1.波形周期 2.最小步进距离）
   * 确定与树莓派通信接口：Uart/I2C
   * 数据分析 ：通信数据格式

 * Pi：
   * Uart/I2C
   * 摄像头


 * 舵机：
   * 0点的确定
   * 特性
   * 驱动电流
   * 执行精度

 * 电源：
   * CKCY BUCK2+模块

 * 原理图：
   * 18路PWM产生模块
   * 18路舵机驱动模块

##### 第二阶段:实现项目任务的一部分

 * FPGA：PWM+缓冲器或驱动器（做控制与驱动隔离）
 * 电源：根据CKCY BUCK2+电源模块，自己设计电源模块
 * 舵机：实现一条腿的控制
 * 制板

##### 第三阶段:实现传感器任务

 * PI：加入摄像头和超声波功能
 * FPGA：通过I2C挂载传感器
 * 电源：根据LM2596电源模块，自己设计电源模块
 * 舵机：实现简单的移动
 * 制板


##### 实体结构：

简单模块化设计

* 模块设计

{{ :系统结构布局图.png  |}}

* 安装方式

{{ ::ph_des2.png |}}

### 项目实施

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##### 原理图

Raspberry_Pi-FPGA转接板：{{:sheet1.pdf|}}

{{ :rasperry_pi-fpga转接板.png |}}

电机驱动板：{{:drive.pdf|}}

{{ :驱动板原理图.png |}}


#### PCB制造设计

##### PCB图

###### Raspberry_Pi-FPGA转接板：

{{ :转接板3d图.jpg?400|}}

{{ :转接板pcb图.jpg?400 |}}

###### 电机驱动板：

{{ :驱动板3d图.jpg?700 |}}

{{ :驱动板pcb图.jpg?500 |}}


#### BOM表


* BOM表 fpga_pi

{{ :fpga_pi_bom.png  |}}

* BOM表 fpga_drive_18pwm

{{ :fpga_drive_18pwm_bom.png |}}




#### PCB焊接、调试

 * 逐次增加舵机数量，调试18路舵机同时启动

{{ :tiaoshi.gif |}}

 * 六足机器人直走演示：

{{ :六足机器人直走视频.mp4 |}}

 * 六足机器人打招呼：

{{ :六足机器人打招呼.mp4 |}}


#### FPGA连接和Verilog编程
  * FPGA连接图

{{ :六足fpga连接图.png?600 |}}

  * 六足机器人实物连接图
 {{ :spider实物连接图.jpg?600 |}}

  * Verilog编程

{{:六足_单舵机_code.7z|}}


{{:六足_四态_code.7z|}}

#### 系统测试


* 出现的问题：机器人走直线时，出现向右的偏差。

     * 问题解决：适当调节右边的前后舵机度数



### 项目报告


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#### 项目简要总结


#####项目完成情况

硬件方面

舵机选型

电池选型

舵机驱动板
  - 原理图设计
  - PCB设计、打板和焊接 
   
Raspberry Pi与小脚丫FPGA扩展板
  - 原理图设计
  - PCB设计、打板和焊接

资源查找方面：
  * ADI传感器www.analog.com
  * wiki百科：en.wikipedia.org
  * https://www.digikey.com.cn/
  * mouser.cn、TI官网、Ultra Librian、samacsys等。

实现了两套控制系统
  - 六足机器人的步态固化在FPGA内部，树莓派只需要发送简单的命令就可以控制六足机器人前进、原地转动。
  - 树莓派通过控制协议，让小脚丫FPGA针对某一个舵机进行控制。
  - 实现了树莓派摄像头的web访问。


现在存在的问题
  - 电路板上的标注不够详细，对焊接和调试造成了困难。
  - 两套软件需要对小脚丫FPGA重新烧写程序才能切换。
  - 六足机器人的舵机线未作整理。
  - 超声波模块未增加到系统中。

遗憾：
  - FPGA锁相环如何使用
  - IP核如何移植
  - FPGA的内部结构
  - 未能自己设计电源
 
#### 项目达到的指标
  * 系统工作20分钟
  * 摄像头web访问



#### 参考文献

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##### Diamond安装及调试
  * 官网获取许可证：http://www.latticesemi.com
  * 软件安装教程：[[http://www.stepfpga.com/doc/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E5%AE%89%E8%A3%85%E5%8F%8A%E9%85%8D%E7%BD%AE|Diamond的安装及配置]]
  * [[http://www.stepfpga.com/doc/lattice_diamond%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8|lattice_diamond的使用：跑马灯的简单例程]]
    *调试中出现的问题1：✘不能识别USB串口
    *解决：安装下载USB驱动，重新编译，下载。
  * [[http://www.stepfpga.com/doc/|FPGA的学习教程]]

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##### 相关参考资料：
  * 树莓派使用相关资料：
    * [树莓派资料](http://www.eetree.io/doc/%E9%80%82%E9%85%8D%E6%9D%BF_%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE)
    * [树莓派+usb摄像头](https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/webcams/)
    * [树莓派+hc-sr04超声波测距](https://tutorials-raspberrypi.com/raspberry-pi-ultrasonic-sensor-hc-sr04/)
    * [树莓派的c语言编程](https://raspberry-projects.com/pi/programming-in-c/i2c/using-the-i2c-interface)
    * [树莓派写iic](https://raspberry-projects.com/pi/programming-in-c/i2c/using-the-i2c-interface)
    * [Linux tcp/ip编程](https://www.thecrazyprogrammer.com/2017/06/socket-programming.html)
    * Stackoverflow上关于[Linux 串口编程](https://stackoverflow.com/questions/6947413/how-to-open-read-and-write-from-serial-port-in-c)
  * FPGA使用相关资料：
    * [fpga产生pwm波资料1](https://www.fpga4student.com/2017/08/verilog-code-for-pwm-generator.html)
    * [fpga产生pwm波资料2](https://www.allaboutcircuits.com/projects/a-pwm-driver-for-fpga-and-soc-design-using-verilog-hdl/)
    * [fpga生成pwm波资料3](http://referencedesigner.com/tutorials/verilogexamples/verilog_ex_09.php)
    * [小脚丫fpga 串口](http://www.stepfpga.com/doc/uart%E4%B8%B2%E5%8F%A3%E6%A8%A1%E5%9D%97)
    * [小脚丫脉宽调制例程](http://www.stepfpga.com/doc/9._%E5%91%BC%E5%90%B8%E7%81%AF)
    * [PWM风扇控制设计文档以及PWM风扇控制设计源代码](http://www.stepfpga.com/doc/fpga_start)
    * [FPGA相关视频](https://www.moore8.com/courses/list/?cid=3)
  * 六足机器人参考资料：
    * [基于树莓派的六足机器人](https://medium.com/@mithi/a-raspberry-pi-hexy-transcript-62533c69a566)
    * [六足机器人资料1](https://www.robotshop.com/community/robots/show/hexpi-a-robopi-raspberry-pi-based-hexapod-robot)
    * [六足机器人资料2](https://blog.hackster.io/modifying-a-cheap-hexapod-robot-toy-to-run-on-a-raspberry-pi-479e181daf78)
    * [六足机器人舵机](https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.11.252d28628nHb60&id=19653902949&ns=1&abbucket=18#detail)
    * 正在Crowdsupply上众筹的[一种基于树莓派的开源的机器人和自动控制器](https://www.crowdsupply.com/robotics-masters/robo-hat-mm1)，该产品的官方网站：https://roboticsmasters.co/pages/robo-hat-mm1/, [[robohatmm1|Robo HAT MM1的资料]]

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关于硬禾实战营研究生技能培训更多的实战项目信息，参见[[handsontraining|硬禾实战营研究生技能培训项目第一期]]