基于Verilog实现的移动机器人芯片【100012878】

# 一、 选题背景及课程简介 ## （一）选题背景 近年来，随着物流业的迅速发展，与之相匹配的智能仓库也越来越受各大物流企业以及电商的青睐，特别是以阿里和京东为代表的电商巨头，更是把智能仓库作为自己的核心竞争力之一。而仓库机器人则是智能仓库最重要的组成部分，近年来有大量的巨头企业和初创企业加入到了仓库机器人的研发当中。因此，在经过一番讨论和比较之后，我们选择“仓库机器人”这一题目，以智能仓库为应用场景，以移动机器人为载体，使用可编程器件FPGA 作为移动机器人的控制系统，通过外接多路传感器获取信息，模型真实场景和情形，设计和实现仓库机器人的一些基本的功能。 ## （二）课题简介 在设计移动机器人的功能时，我们充分考虑实际场景和应用当中仓库机器人应该具有的基本功能和可能会遇到的情形及对应的解决方案，同时考虑成本以及可实现性，总结为以下几点： （1） 自动行驶：模拟仓库机器人在预定轨道自动行使，对应移动机器人能够按照预先搭建设计好的轨道自动行驶，并根据轨道调整前进方向。 （2） “十字路口”自动决策：模拟在行使过程当中，遇到轨道交叉点时，仓库机器人能够按照预先设定的路线做出正确的轨道转向。 （3） “防止追尾”功能：在后车遇到前车时停止前进，等待前车走出一段距离后，再继续行驶。 （4） 避让障碍物：在无轨道处行驶时，如果前方出现障碍物，移动机器人能够自动避让，防止碰撞。 （5） 跟随前进：仓库机器人能够跟随仓库管理员前进，运输货物。 （6） 称重模块：该模块用于测量小车上搭载的货物的重量。 （7） 蓝牙连接：管理员在手机端对仓库机器人的移动进行控制。 （8） 人体红外感应模块：考虑到仓库机器人在仓库来回行走，这样对于参考机器人有一定的危险，因此加入人体红外感应模块，当有行人靠近小车时，小车能够给予回应，目前以蜂鸣器作为回应的载体。 （9） 温度湿度测量模块：考虑到实际智能仓库对温度湿度要求严苛，本模块实现对仓库温度湿度的测量。 （10） 数据测量： - A. 距离测量：检测移动机器人与前方的障碍物或者前车的距离； - B. 速度检测：检测移动机器人移动的速度，也能控制速度在不同的档位； - C. 对（6）称重模块采集的数据进行分析计算，得出载物重量; - D. 温度湿度测量：实现对仓库温度湿度的测量。 E. A\B\C\D 的检测到的数据，能够在FPGA 数码管进行显示;。 # 二、 方案比较与选择 ## 1.自动寻迹行驶模块：  | 自动寻迹行驶模块需要实现的功能包括，小车能够沿着预定的轨迹行驶，且在实际仓库中必然会出现多路线选择的问题，即小车必须能前往不同的货架（如图 1 所示），将整个多路线问题分解为小车做多个十字路口决断的问题简化分析。 由于仓库中小车的行进路线可以多样化，设计自动寻迹行驶模块采用机器人的伺服行为和弹道式行为结合的方式，利用伺服行为的反馈控制使小车能够沿着预定的轨道前进，利用弹道式行为的规划性帮助小车在十字路口做出转弯决断。 常见的能够实现智能车自动循迹行驶功能的方法主要基于以下三大类传感器：电磁传感器、图像传感器和光电传感器。 电磁传感器需要在轨道中心布上交流载流导线，利用电磁感应原理检测其产生的交变磁场来进行路径判断，依次来控制小车沿着轨道行驶，通过磁场强弱判断小车和轨道的相对位置，再通过编程确保小车在轨道上正常行驶 图像传感器是利用摄像头采集轨道的图像信息，通过计算机的程序分辨出轨道路线，进而控制小车的行进状态和方向；或是通过将图像信息处理后，通过FPGA 编程确定轨道信息，再控制小车的行进。光电传感器利用轨道和非轨道对光的反射不一来区分轨道和非轨 道的差异，通过感知反射光的强弱来控制小车在白色背景下沿着黑色轨道前进。光电传感器能够通过反射光强弱判断小车和轨道的相对位置关系，确定位置关系后，利用不断的负反馈可以在小车偏离轨道之际让小车回到轨道，同时不断前进，实现小车沿着轨道前进。 电磁传感器能够基本不受环境中温度和亮度的影响，但是对小车自身产生的电磁效应和环境中存在的电磁干扰抗性不强，而且铺设轨道的成本较高，过程太过复杂。图像传感器对轨道信息的采集精度高， 探测范围广，信息量大，对轨道需求小，受环境因素的影响小，但是其处理过程太过复杂，实现图像识别对程序要求极高，几乎很难用FPGA 实现，而且很难处理其中存在的延迟问题。光电传感器相较前二者而言，传感器和轨道铺设成本最小，反馈路径短，反应速度快， 但是精度不高，而且视野极小，脱离轨道后完全失去反应能力。 综上所述，由于成本和技术实现的问题，最终采用了较为简单和成本最低的基于光电传感器的自动寻迹功能，实际实验中对精度要求不高，而且车速不快，以光电传感器的灵敏度完全能够胜任。 实际设计可在小车的前端中部加三个光电传感器，分别检测左前， 右前和正前方和轨道的相对关系，若仅有正前在黑线上，则继续前进； 一旦仅有左前在黑线上，则应当小角度左转（右方同理）；若出现左前和正前同时处于黑线，则应当大角度左转（右方同理）。 为实现十字路口的决断，当三个光电传感器同时处于黑线上时， 则可以判定小车处于十字路口，则小车可以根据预先设好的方向前进。 ## 2.遇障反应系统： 仓库中遇障分为两种情况：在运输过程中遇障，仓库中为提高运输效率，运输轨道必然具有单向性，可以避免会车状况，则在轨道遇障后，只需原地等待，等待前车完成相应指令离开，本车即可继续运行；非运输过程遇障，即处于非轨道运行时，遇障后可以通过避障系统绕过障碍继续前进。 遇障的判断主要是通过测距装置来实现，测距方式包括：红外测距、视觉测距，超声波测距。 红外测距：利用三角原理实现测距。红外发射器发射成一定角度的红外光束，当红外光束碰到物体后反射，检测返回的光束获取偏移值，就能够根据三角定律算出传感器到物体的距离。 视觉测距：利用摄像头获取小车前方的图像信息，通过计算机或FPGA 设计程序测距。 超声波测距通过一对超声波的发射和接收装置进行测距。一个探头发射超声波，另一个探头接收超声波，通过测量发射和接收的时间差，结合声速，从而计算出探头与障碍物之间的距离。  时序图表明，10us 的高电平脉冲可触发一次探测，若接收到回响信号，会得到一个与间隔时间成比例的高电平脉冲。在FPGA 板中， 可通过计数器来计算小车与障碍物的距离，以此实现避障与测距。 综上，使用红外测距与视觉测距精度会更高，但是成本更大，而且程序的编写更加复杂，在实验避障模块中，超声�