本項目基於FPGA，以FPGA為核心，製作一個電動小車控製器，使小車能夠自動沿一個寬30cm，長160cm的de翹qiao翹qiao板ban尋xun跡ji行xing駛shi，並bing能neng調tiao節jie小xiao車che位wei置zhi使shi翹qiao翹qiao板ban傾qing斜xie某mou一yi設she定ding角jiao度du
，保bao持chi靜jing止zhi平ping衡heng。當dang另ling有you外wai力li使shi翹qiao翹qiao板ban失shi衡heng時shi，小xiao車che自zi動dong尋xun找zhao新xin的de平ping衡heng點dian，使shi翹qiao翹qiao板ban重zhong新xin達da到dao平ping衡heng。如ru圖tu1

、圖2所示。係統靜態誤差小於1度，超調量小於10％。xiangmuzhizuozhong
，jiangtongguolilunyanjiuhefanfushiyanduikongzhisuanfahekongzhicanshujinxingyouhualiqiudadaozuikuaitiaojiesuduhezuixiaowucha，weikongzhigongchengtigongyigezhenshidewulifangzhenshiyanzhuangzhi。

 

圖一
 

圖二

 

 

 

本(ben)項(xiang)目(mu)於(yu)前(qian)期(qi)已(yi)做(zuo)了(le)較(jiao)為(wei)充(chong)分(fen)的(de)理(li)論(lun)準(zhun)備(bei)工(gong)作(zuo)，經(jing)過(guo)理(li)論(lun)推(tui)導(dao)，建(jian)立(li)了(le)受(shou)控(kong)對(dui)象(xiang)和(he)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)，研(yan)究(jiu)和(he)比(bi)較(jiao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)相(xiang)關(guan)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)。項(xiang)目(mu)車(che)體(ti)部(bu)分(fen)、光電傳感器部分
、電機驅動部分
、角度傳感器部分、信號調理放大電路、電機驅動電路、xitonggongdiandianludengbujianjunyishejizhizuowancheng，youguandewaiweidianluyinzhibanyeyihanjietiaoshichenggong，bingfenbietongguotiaoshi。muqianzhengzaiduixitongjinxingyouhuahegaijin，bingzheshoubianxiechengxu，daihuodeFPGA開發平台後，即可開始程序調試及係統聯調實驗。

 

 

本項目的關鍵技術在於利用FPGAdekuaisushujuchuligongnenghefengfulinghuodejiekouziyuan，jianliyigenengduixiaocheqiaoqiaobanxitongjinxingkongzhideyingjianpingtai
，zaicijichushangyanjiugezhongkongzhisuanfa，yingyongshiyanpingtaiduikongzhisuanfajinxingyanzheng，duiqiaoqiaobandefeiwendingpinghengzhuangtaijinxingyouxiaodekongzhi，shizhichuyupinghengjingzhizhuangtaibingnenggoubaochi。benxiangmudeshoukongduixiangshiyigefeixianxinggaojiexitong，zaikongzhilingyuzhongshirenmenganxingqueryounanyibeikongzhideguocheng
，qixiangguanyanjiujielunkeyingyongyufeixingqizitaikongzhi、機器人平衡控製等方麵，涉及非線性信號處理、非線性控製、控製參數自動優化等技術。

 

本項目的創新點在於，把FPGA的高速並行數據處理特性綜合應用到了一個在控製領域中人們所感興趣而又難以被控製的非穩定受控過程中，利用FPGAweikongzhixitongyanjiutigongleyigetongyongxinghao
，lianjiaershiyongdeshiyanpingtai
，weililunyanjiujieguojianliyigeshiyanwuzhitiaojian
，zengqianglilunheshijiandexiangjiehe。tongshi
，gaixiangmufuyouquweixinghezhishixing
，keyijifagengduodianziaihaozhedexingqu，kuodaFPGA的應用層麵。

 

 

小xiao車che平ping衡heng態tai的de控kong製zhi類lei似si於yu倒dao立li擺bai
，但dan又you有you所suo不bu同tong。倒dao立li擺bai控kong製zhi已yi經jing有you較jiao多duo的de研yan究jiu
，並bing已yi應ying用yong於yu機ji器qi人ren平ping衡heng，飛fei行xing器qi姿zi態tai控kong製zhi等deng。理li論lun和he實shi踐jian都dou證zheng明ming係xi統tong是shi可ke實shi現xian的de。小xiao車che的de控kong製zhi采cai樣yang周zhou期qi大da約yue毫hao秒miao數shu量liang級ji就jiu可ke滿man足zu基ji本ben要yao求qiu，所suo以yi，FPGA的速度完全可以滿足要求。而FPGAsuojuyoudelinghuodeluojizuhepeizhi，zuyiwanchengxiaocheyunxingsuoxuyaodekongzhiluojiheyunxingxietiao。xitongsuoshiyongdegechuanganqijiqixinhaotiaolidianluyijingtiaoshichenggong。zhexiexianxinggongzuoheyichengshujishuweixitongdechenggongshixiantigonglianbaozhengtiaojian。zaikekaoxingfangmian，xitonggebujianzhijiandelianjiejiangcaiyonggaokekaodelianjieqijian

，bingyongrefengjiaomifeng，jixiejingujiancaiqusuojincuoshi。youyuxitongbuyuwaijiedianqilianjie，bucunzaigongmodianyaganrao，yincibukaolvshiyongguangdiangeli。zairuanjianfangmian，caiyongkanmengoudingshiqi，baozhengxitongchengxupaofeihounenggouzidonghuifuyunxing。

 

圖3

 

 

 

係統框圖如圖3所示，主控循環程序每隔一個采樣周期從FPGA接jie口kou中zhong讀du取qu各ge個ge傳chuan感gan器qi的de數shu值zhi，並bing經jing過guo處chu理li後hou獲huo得de小xiao車che的de運yun行xing狀zhuang態tai，根gen據ju小xiao車che的de當dang前qian狀zhuang態tai采cai取qu相xiang應ying的de控kong製zhi算suan法fa計ji算suan出chu電dian機ji所suo需xu的de控kong製zhi電dian壓ya值zhi，進jin而er，該gai控kong製zhi電dian壓ya值zhi經jing過guoPMWchulihoushuchudaoxiaochequdongdianji，shixiaocheanzhaoxiwangdeguilvyundong。weileshichengxuliuchengqingxijianjie

，kuangtuzhongyiyigebiaozhixinhaolaijiluxiaochesuoyunxingdejieduan
，kongzhiqizegenjuxiaochesuochudeyunxingjieduanjinxingxiangyingdekongzhi。

 

 

 

 

根gen據ju本ben係xi統tong所suo需xu達da到dao功gong能neng要yao求qiu和he性xing能neng要yao求qiu
，係xi統tong需xu要yao完wan成cheng傳chuan感gan器qi模mo擬ni量liang的de數shu據ju采cai集ji和he光guang電dian傳chuan感gan器qi電dian平ping數shu據ju的de采cai集ji

，需xu要yao對dui采cai集ji的de數shu據ju進jin行xing處chu理li和he輸shu出chu，需xu要yao對dui小xiao車che的de狀zhuang態tai進jin行xing判pan斷duan和he控kong製zhi等deng。Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）具有速度高


，接口豐富等特點，根據係統要求和所要完成的功能，Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）配以相應的開發環境，完全可以完成係統控製要求，且價廉實惠，開發過程快捷，簡單易行。為了能夠使用Spartan-3E初級板，本項目需要與Spartan-3E初級板相配套的開發軟件和編譯調試工具和環境。

 

 

在本方案中需要研製、開發的功能主要模塊，以及開發的方式

 

本方案中
，所要研製的硬件模塊包括：1）尋跡用紅外光電傳感器模塊及其波形整形電路，2）用於檢測小車運行位移和速度的紅外光電編碼器模塊
，3）用於為不同元件提供不同電壓的電源變換模塊，4）用於檢測小車傾角的角度傳感器信號調理模塊，5）用於驅動直流伺服電機的驅動模塊，6）用於顯示係統狀態和輸入指令的人機界麵模塊，7）AD轉換模塊，8）碰觸檢測模塊，8）在擴展功能中
，用於擴大檢測小車狀態的視頻處理模塊

，等等。

 

軟件係統中也按模塊編程

，包括：1）人機交互模塊，2）電機驅動PWM運算模塊
，3）平衡控製計算模塊，4）運行軌跡尋找與跟蹤模塊，信號檢測及標度模塊
，5）係統協調模塊

 

 

該(gai)項(xiang)目(mu)將(jiang)完(wan)成(cheng)小(xiao)車(che)的(de)自(zi)動(dong)尋(xun)跡(ji)和(he)平(ping)衡(heng)控(kong)製(zhi)，平(ping)衡(heng)保(bao)持(chi)時(shi)間(jian)可(ke)按(an)照(zhao)要(yao)求(qiu)任(ren)意(yi)設(she)定(ding)。小(xiao)車(che)在(zai)引(yin)導(dao)線(xian)的(de)引(yin)導(dao)下(xia)自(zi)動(dong)登(deng)爬(pa)蹺(qiao)蹺(qiao)板(ban)，並(bing)在(zai)平(ping)衡(heng)位(wei)置(zhi)達(da)到(dao)靜(jing)態(tai)平(ping)衡(heng)。從(cong)登(deng)陸(lu)蹺(qiao)蹺(qiao)板(ban)到(dao)進(jin)入(ru)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)所(suo)需(xu)時(shi)間(jian)不(bu)大(da)於(yu)20秒。係統靜態誤差小於1度
，超調量小於10％。在基本功能實現的情況下，將進一步優化參數
，提高運行速度和減少調節時間和靜態誤差。

 

 

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能為：1）產生係統所需的各種電壓

，為係統各部件提供電源。2）為角度傳感器提供參考電源，對角度傳感器的輸出信號進行放大調理

，並進行AD轉換，得到與角度成比例的數字信號。3）將紅外光電傳感器的電壓信號整形為標準邏輯電平。4）將控製信號放大，為直流電機提供驅動能力。

 

子板接口為標準pin口
，使用標準接插件。

 

2.測試設備

PC機、萬用表
、直流穩壓電源、秒表、卷尺、量角器等

 

3.方針、開發工具

Spartan-3E初級板，ISE9.1
，Modesim se，EDK9.1，Synplify pro，Chipscope pro9.1


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