项目布景及可行性剖析
- 项目名称、项意图首要内容及现在的发展状况
项目名称：依据FPGA的小车跷跷板平衡操控体系规划
项目首要内容：
本项目以FPGA为中心，制造一个电动小车操控器，使小车可以主动沿一个宽30cm，长160cm的翘翘板寻迹行进，并能调度小车方位使翘翘板歪斜某一设定视点，坚持停止平衡。当还有外力使翘翘板失衡时，小车主动寻觅新的平衡点，使翘翘板从头到达平衡。如图1、图2所示。体系静态差错小于1度，超调量小于10％。项目制造中，将通过理论研讨和重复试验对操控算法和操控参数进行优化力求到达最快调度速度和最小差错，为操控工程供给一个实在的物理仿真试验设备。
图一
图二
现在的发展状况：
本项目于前期已做了较为充沛的理论准备工作，通过理论推导，树立了受控目标和操控体系的数学模型，研讨和比较了体系的相关操控算法。项目车体部分、光电传感器部分、电机驱动部分、视点传感器部分、信号调度扩展电路、电机驱动电路、体系供电电路等部件均已规划制造完结，有关的外围电路印制板也已焊接调试成功，并别离通过调试。现在正在对体系进行优化和改善，并着手编写程序，待取得FPGA开发渠道后，即可开端程序调试及体系联调试验。
- 项目关键技能及立异点的论说：
本项意图关键技能在于运用FPGA的快速数据处理功用和丰厚灵敏的接口资源，树立一个能对小车翘翘板体系进行操控的硬件渠道，在此基础上研讨各种操控算法，运用试验渠道对操控算法进行验证，对翘翘板的非安稳平衡状况进行有用的操控，使之处于平衡停止状况并可以坚持。本项意图受控目标是一个非线性高阶体系，在操控范畴中是人们感爱好而又难以被操控的进程，其相关研讨定论可运用于飞行器姿势操控、机器人平衡操控等方面，触及非线性信号处理、非线性操控、操控参数主动优化等技能。
本项意图立异点在于，把FPGA的高速并行数据处理特性归纳运用到了一个在操控范畴中人们所感爱好而又难以被操控的非安稳受控进程中，运用FPGA为操控体系研讨供给了一个通用性好，廉价而有用的试验渠道，为理论研讨结果树立一个试验物质条件，增强理论和实践的相结合。一起，该项目赋有趣味性和知识性，可以激起更多电子爱好者的爱好，扩展FPGA的运用层面。
- 技能老练性和牢靠性论说：
小车平衡态的操控类似于倒竖摆，但又有所不同。倒竖摆操控现已有较多的研讨，并已运用于机器人平衡，飞行器姿势操控等。理论和实践都证明体系是可完结的。小车的操控采样周期大约毫秒数量级就可满意基本要求，所以，FPGA的速度完全可以满意要求。而FPGA所具有的灵敏的逻辑组合装备，足以完结小车运转所需求的操控逻辑和运转和谐。体系所运用的各传感器及其信号调度电路现已调试成功。这些先行工作和已老练技能为体系的成功完结供给联确保条件。在牢靠性方面，体系各部件之间的衔接将选用高牢靠的衔接器材，并用热封胶密封，机械紧固件采纳锁紧办法。因为体系不与外界电气衔接，不存在共模电压搅扰，因而不考虑运用光电阻隔。在软件方面，选用看门狗定时器，确保体系程序跑飞后可以主动康复运转。
图3
项目施行计划
- 计划基本功用框图及描绘
体系框图如图3所示，主控循环程序每隔一个采样周期从FPGA接口中读取各个传感器的数值，并通过处理后取得小车的运转状况，依据小车的当时状况采纳相应的操控算法核算出电机所需的操控电压值，从而，该操控电压值通过PMW处理后输出到小车驱动电机，使小车依照期望的规则运动。为了使程序流程明晰简练，框图中以一个标志信号来记载小车所运转的阶段，操控器则依据小车所在的运转阶段进行相应的操控。
2.需求的开发渠道
依据本体系所需到达功用要求和功用要求，体系需求完结传感器模拟量的数据收集和光电传感器电平数据的收集，需求对收集的数据进行处理和输出，需求对小车的状况进行判别和操控等。Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）具有速度高，接口丰厚等特色，依据体系要求和所要完结的功用，Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）配以相应的开发环境，完全可以完结体系操控要求，且价廉实惠，开发进程方便，简单易行。为了可以运用Spartan-3E初级板，本项目需求与Spartan-3E初级板相配套的开发软件和编译调试东西和环境。
2.计划施行进程中需求开发的模块
在本计划中需求研发、开发的功用首要模块，以及开发的方法
本计划中，所要研发的硬件模块包含：1）寻迹用红外光电传感器模块及其波形整形电路，2）用于检测小车运转位移和速度的红外光电编码器模块，3）用于为不同元件供给不同电压的电源改换模块，4）用于检测小车倾角的视点传感器信号调度模块，5）用于驱动直流伺服电机的驱动模块，6）用于显现体系状况和输入指令的人机界面模块，7）AD转化模块，8）碰触检测模块，8）在扩展功用中，用于扩展检测小车状况的视频处理模块，等等。
软件体系中也按模块编程，包含：1）人机交互模块，2）电机驱动PWM运算模块，3）平衡操控核算模块，4）运转轨道寻觅与盯梢模块，信号检测及标度模块，5）体系和谐模块
3.体系终究要到达的功用指标
该项目将完结小车的主动寻迹和平衡操控，平衡坚持时刻可依照要求恣意设定。小车在引导线的引导下主动登爬跷跷板，并在平衡方位到达静态平衡。从登陆跷跷板到进入平衡状况所需时刻不大于20秒。体系静态差错小于1度，超调量小于10％。在基本功用完结的状况下，将进一步优化参数，进步运转速度和削减调度时刻和静态差错。
需求的其它资源
1.规划输入输出功用子板
子板功用为：1）发生体系所需的各种电压，为体系各部件供给电源。2）为视点传感器供给参阅电源，对视点传感器的输出信号进行扩展调度，并进行AD转化，得到与视点成份额的数字信号。3）将红外光电传感器的电压信号整形为规范逻辑电平。4）将操控信号扩展，为直流电机供给驱动才能。
子板接口为规范pin口，运用规范接插件。
2.测验设备
PC机、万用表、直流稳压电源、秒表、卷尺、量角器等
3.政策、开发东西
Spartan-3E初级板，ISE9.1，Modesim se，EDK9.1，Synplify pro，Chipscope pro9.1
