项目参与人员：

• 成都信息工程大学大四学生张瀚坤
• 北京石油化工学院硕士研究生任继伟
• 复旦大学硕士研究生李豪乾

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

• 运动流畅
• 电源能够保障持续工作20分钟以上

• 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

• 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

• 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：

• 舵机:LDX-218

• 自恢复电阻丝

• 铝质电解电容器-SMD
  • 数据表：https://www.mouser.cn/ProductDetail/United-Chemi-Con/EMZR100ARA102MHA0G?qs=sGAEpiMZZMukHu%252BjC5l7YapRGWlqrIlqhjJ7X3G6n3Q%3D

• 树莓派3b+
  树莓派的硬件及配置
• 摄像头CSI摄像头

• 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

• 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

• 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

简单模块化设计

• 模块设计

• 安装方式

Raspberry_Pi-FPGA转接板：sheet1.pdf

电机驱动板：drive.pdf

• BOM表 fpga_pi

• BOM表 fpgadrive18pwm

• 逐次增加舵机数量，调试18路舵机同时启动

• 六足机器人直走演示：

• 六足机器人打招呼：

• FPGA连接图

• 六足机器人实物连接图
• Verilog编程

六足_单舵机_code.7z

六足_四态_code.7z

• 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

硬件方面

舵机选型

电池选型

舵机驱动板

1. 原理图设计
2. PCB设计、打板和焊接

Raspberry Pi与小脚丫FPGA扩展板

1. 原理图设计
2. 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

1. 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。
2. 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。
3. 实现了树莓派摄像头的web访问。

现在存在的问题

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

遗憾：

1. FPGA锁相环如何使用
2. IP核如何移植
3. FPGA的内部结构
4. 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

• 官网获取许可证：http://www.latticesemi.com
• 软件安装教程：Diamond的安装及配置
• 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。
• FPGA的学习教程

• 树莓派使用相关资料：
  • 树莓派资料
  • 树莓派+usb摄像头
  • 树莓派+hc-sr04超声波测距
  • 树莓派的c语言编程
  • 树莓派写iic
  • Linux tcp/ip编程
  • Stackoverflow上关于Linux 串口编程
• FPGA使用相关资料：
  • fpga产生pwm波资料1
  • fpga产生pwm波资料2
  • fpga生成pwm波资料3
  • 小脚丫fpga 串口
  • 小脚丫脉宽调制例程
  • PWM风扇控制设计文档以及PWM风扇控制设计源代码
  • FPGA相关视频
• 六足机器人参考资料：
  • 基于树莓派的六足机器人
  • 六足机器人资料1
  • 六足机器人资料2
  • 六足机器人舵机
  • 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，该产品的官方网站：https://roboticsmasters.co/pages/robo-hat-mm1/, Robo HAT MM1的资料

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