速解魔方機(jī)器人(上)

1 設(shè)計(jì)概述
1.1  設(shè)計(jì)意圖
     機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展是計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步和自動(dòng)化研究 不斷深入的結(jié)果。工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)生提高了人類社會(huì)生產(chǎn) 力，極大地改變了工業(yè)生產(chǎn)和人類生活樣貌。但現(xiàn)有機(jī)器人 一般系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且成本昂貴。
本項(xiàng)目中我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于Linux 操作系統(tǒng)的FPGA- HPS數(shù)據(jù)交互聯(lián)合求解魔方的智能魔方破解平臺(tái)。項(xiàng)目在 FPG A部分利用CCD攝像頭識(shí)別獲取魔方54個(gè)小色塊的顏 色，通過(guò)lw_AXI_FPGA-to-HPS Bridge送到HPS部分，HPS收 到所有54個(gè)色塊的顏色之后，應(yīng)用我們獨(dú)立設(shè)計(jì)的魔方求 解算法進(jìn)行求解得到還原該魔方的步驟，再通過(guò)lw_HPS-to- FPGA Bridge送到FPGA部分，進(jìn)而控制舵機(jī)來(lái)操縱破解平臺(tái) 上機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)伸縮，還原魔方。本系統(tǒng)的主要研究成果包 括：基于Verilog語(yǔ)言的顏色識(shí)別算法、多功能VGA顯示、獨(dú) 立自主設(shè)計(jì)的魔方求解算法、穩(wěn)定靈活的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
1.2  適用范圍
目前，市場(chǎng)上的機(jī)器人都是按照固定的步驟完成相應(yīng) 的功能，當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，機(jī)器人就無(wú)法完成該功能 了，針對(duì)該問(wèn)題，本作品運(yùn)用FPGA視頻處理技術(shù)，對(duì)周圍 環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作，大大提高了工

圖1  系統(tǒng)實(shí)物圖    

圖2  圖像采集和識(shí)別功能    

圖3　數(shù)碼管顯示效果圖
作效率，凸顯了機(jī)器人像人一樣的智慧、靈動(dòng)。 在實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，我們的作品也具有很高的觀賞性。魔方本身就具 有很強(qiáng)的吸引力，再加上這個(gè)具有人功能的機(jī)械外觀，一定 顯得別具一格。
1.3  本設(shè)計(jì)采用SoC器件的優(yōu)勢(shì)
(1)在DE1-SoC開發(fā)板上搭載帶有圖形界面的Ubuntu系 統(tǒng)，能有效地提高CPU的利用率，簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)難 度。
(2)DE1-SoC嵌入了ARM-9雙核處理器，運(yùn)算速率高，
適合做算法，能對(duì)我們的求解魔方算法進(jìn)行快速處理。
(3)在ARM上可以開發(fā)應(yīng)用程序來(lái)作為控制臺(tái)， Linux平 臺(tái)有多種圖形庫(kù)可供選擇，讓我們的應(yīng)用程序更加美觀，具 有更高的觀賞性。


2 功能描述
本設(shè)計(jì)采用DE1- SoC作為開發(fā)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了基于 Linux操作系統(tǒng)的FPGA-HPS數(shù)據(jù)交互聯(lián)合求解魔方的智能魔 方破解系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。
系統(tǒng)圍繞“顏色識(shí)別，魔方求解”實(shí)現(xiàn)以下功能
2.1  圖像采集和顏色識(shí)別(Verilog語(yǔ)言編寫)
在識(shí)別模式下，顯示屏將在固定區(qū)域出現(xiàn)9個(gè)方框，用 于指定圖像采集區(qū)域。通過(guò)調(diào)整魔方 的位置，使魔方某面的9個(gè)色塊均位于 方框內(nèi)。顏色識(shí)別算法對(duì)方框內(nèi)的圖 像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別。識(shí)別結(jié)果會(huì)在 液晶屏幕右邊的魔方平面展開圖中呈 現(xiàn)。魔方展開圖中的9個(gè)色塊與實(shí)際的

圖4　多功能VGA顯示 效果圖
9個(gè)色塊一致， 即實(shí)現(xiàn)了圖像采集和顏色識(shí)別功能,效果如圖2。
2.2  破解還原魔方功能
將 C C D 攝 像 頭 識(shí) 別 到 的 顏 色 數(shù) 據(jù)，通過(guò)DE1- SoC上的LW FPGA-to- HPS Bridge將數(shù)據(jù)傳送給HPS，然后 通過(guò)寫入在HPS里面的魔方破解算法 得到破解該魔方的算法， 再通過(guò)LW HPS-to-FPGA Bridge將破解還原魔方 步驟輸出，控制PPGA的GPIO，達(dá)到 破解魔方的目的。
2.3  數(shù)碼管顯示
系統(tǒng)得到破解魔方的算法后，將破解該魔方所需的總
步數(shù)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，破譯機(jī)器人每按算法操作一步， 數(shù)碼管顯示的數(shù)值就會(huì)減1，直到數(shù)碼管顯示為0時(shí)，魔方算 法執(zhí)行完畢。效果如圖3。
2.4  多功能VGA顯示
在液晶顯示屏的右邊區(qū)域繪制出魔方6個(gè)面54個(gè)格子的 展開圖，CCD攝像頭識(shí)別好實(shí)物魔方的顏色后就會(huì)將顏色 繪制在展開圖的各個(gè)方框中，呈現(xiàn)出混亂魔方的六個(gè)面的展 開圖。具體實(shí)現(xiàn)效果如圖4。

圖5　機(jī)器人硬件搭建    

圖6　DE1-SoC開發(fā)板資源使用情況

圖7　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
2.5  機(jī)器人硬件的搭建
利用兩個(gè)舵機(jī)來(lái)完成伸縮和旋轉(zhuǎn)，然后利用四個(gè)機(jī)械 手臂來(lái)完成這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)搭建，通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)固定這四個(gè)機(jī) 械手臂，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定靈活地破解魔方，具體實(shí)現(xiàn)效果如 圖5。

3 性能參數(shù)
3.1 各模塊性能參數(shù)
(1)DE1-SoC主控板 直流電壓：9V 系統(tǒng)頻率：CPU工作頻率：100MHz (2)CCD攝像頭       輸入電壓：12V TV制式：PAL    工作溫度 ： -20℃~70℃(3)MG996R舵機(jī)    尺寸:40.8*20*38mm   重量:55g 速度:4.8V@0.20sec/60°6.0V@0.19sec/60° 扭矩:4.8V@13kg-cm  6.0V@15kg-cm電壓:4.8V-7.2V
( 4 ) D C -D C 電源    輸入電壓： 9 ~ 1 6 V    輸出電壓：6.0~7.4V 體積：40mm*30mm*20mm (5)視頻接口解碼芯片：ADV7123     工作頻率：25MHz    顯示分辨 率：640*480
(6)魔方
魔方種類:三階 魔方尺寸：52mm
魔方重量：0.1g
(7)SD卡
型號(hào)：Sandisk/閃迪   容量：8G
讀寫速度: UHS-1    文件系統(tǒng)：FAT163.2 開發(fā)板使用情況DE1-SoC開發(fā)板資源使用情況(如圖6所示)。4  設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
4.1  系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。
4.1.1  HPS部分
在H P S 部分， 分為四個(gè)步驟： 控制F P G A 完成顏色識(shí) 別->獲取魔方顏色->魔方求解->發(fā)送求解步驟到FPGA舵機(jī)控制模塊。
第一步，通過(guò)lw_AXI_FPGA- to-HPS Bridge控制FPGA部分的顏色 識(shí)別模塊和舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，按一定 的次序轉(zhuǎn)動(dòng)魔方，對(duì)其六個(gè)面依次 進(jìn)行指定區(qū)域的RGB獲取。
第二步，六個(gè)面所有小色塊的RGB獲取完成后，HPS對(duì)每個(gè)小色 塊的顏色進(jìn)行判斷，得到準(zhǔn)確的顏 色。第三步，根據(jù)魔方六個(gè)面的顏色，利用我們獨(dú)立自主 設(shè)計(jì)的魔方求解算法得出還原魔方的步驟。
第四步，得到步驟之后，通過(guò)lw_AXI_HPS-to- FPGA Bridge發(fā)送給舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊。