智能小车控制

实验日期：2023/10/30

地点：东3-406

实验目的

复习之前所学知识：FPGA板的编程，小车各控制芯片的连接。
编写程序，使小车能够沿着轨道运行。

实验器材

智能小车一台
编程电脑
连接线
电源

实验方案

编写程序，并仿真。
将各功能模块芯片连接。
利用Quartus软件将辨析的好的程序传入FPGA板。
连入电源，测试小车。

测试过程与结果

测量轨道部分数据，选择合适的红外检测管，作为本次试验作为判定的光电管。
轨道经测量，约为两指宽。所以，选择中间两盏小灯作为沿轨道行进判定，和间隔一个旁边的小灯作为转弯判定。

截屏2023-11-01 19.48.09

fig1 光电管示意图（蓝色为选择的光电管）

分析输出端口电位

根据上一次实验，得知地面为黑色，比较器出高，灯熄灭；地面为白色，比较器出低，灯发光。
编写程序，并进行编译仿真。

根据第一步的分析，我们需要一个以下有5个接口，7个输出口的逻辑芯片。

截屏2023-11-01 21.03.41

fig2 设计逻辑示意图

开关设计，利用FPGA板上的开关键Switch0，来控制实体的运作与否。
- 当开关打开，LED0发光，ENA，ENB输出高电位
- 当开关关闭，LED0熄灭，ENA，ENB输出低电位

Vhdl
if (swt='1') then
  swto<='1';
  ena<='1';
  enb<='1';
else
  swto<='0';
  ena<='0';
  enb<='0';
end if;

小车直线循轨
- 四个探测器，从左到右分别为inp1, inc1, inc2, inp2
- 左轮为in1，in2控制，右轮为in3，in4控制
当左轮转动时，in1输出1，in2输出0

当左轮转动时，in3输出1，in4输出0

Vhdl
-------------直行循轨-------------------------------
when "0110"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "0010"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "0100"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

小车遇到岔路判断
- 主要岔路判断过程，小车在行进过程中，最旁边的灯判断了在左/右遇到岔路的情况
- 如果在遇到岔路过程中，中间的两盏灯出现了一亮一灭的情况，具体如下图（左边遇到岔路的情况，右边遇到岔路同理）所示，则应该一定地修正轨迹。

Vhdl
-------------岔路判断-------------------------------
when "0111"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "0011"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "0101"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

when "1110"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "1010"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1100"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

小车直角转弯

当小车回到轨道后，由于光电管并不一定稳定运行，所以利用之前的发光判断，小车会自行沿着轨道左转或者右转。
小车停止运行

当小车四个光电管均位于停车处的黑框时，即tmp=0000时，小车停止运行

Vhdl
when "0000"=> in1<='0';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1111"=> in1<='0';in2<='1';in3<='0';in4<='1';

全代码

Vhdl
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all; 
use IEEE.numeric_std.all;
use IEEE.std_logic_arith.all;


entity controller is
  port (
ledc1,ledc2,ledp1,ledp2,swt: in std_logic;
      ena,enb,in1,in2,in3,in4,swto: out std_logic);
end controller;


architecture runner of controller is

begin
P1:process(ledc1,ledc2,ledp1,ledp2)
variable tmp:std_logic_vector(3 downto 0);
begin
tmp:=ledp1&ledc1&ledc2&ledp2;
case tmp is
when "0000"=> in1<='0';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1111"=> in1<='0';in2<='1';in3<='0';in4<='1';

when "0110"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "0010"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "0100"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

when "0111"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "0011"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "0101"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

when "1110"=> in1<='1';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "1010"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1100"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';

when "1000"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "1001"=> in1<='0';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "0001"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1101"=> in1<='0';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when "1011"=> in1<='0';in2<='0';in3<='0';in4<='0';
when others =>in1<='X';in2<='X';in3<='X';in4<='X';

end case;
end process;

P2: process(swt)
begin
if (swt='1') then
swto<='1';
ena<='1';
enb<='1';
else
swto<='0';
ena<='0';
enb<='0';
end if;
end process;
end runner;

连接各功能芯片模块。

截屏2023-11-01 21.03.41

根据以上示意图，先物理上连接各引脚的输入输出。

后在Quartus软件上，对FPGA进行pin planner

000000

在Quartars中编译文件，成功运行并导入FPGA板中。

连入电源，测试小车。

测试结果

直角转弯时非常困难的一部分，我们发现，小车有概率地在直角转弯处停下，后观察光电管情况，发现，一些时候，tmp可能出现“0001”或者“1000”的情况，即最旁边的引脚在轨道内，而其他光电管偏离轨道。于是，对程序进行修改，

Vhdl
when "1000"=> in1<='0';in2<='0';in3<='1';in4<='0';
when "0001"=> in1<='1';in2<='0';in3<='0';in4<='0';

修改后，小车能够顺利转弯。

小车能依照轨道进行运动。

结果分析

即要从逻辑上分析小车运动的情况，也要根据实验中具体出现的问题进行调整。这也说明，在未来的实验中，不光光要从理论上严谨分析，也要从具体实际中实践，修改，然后完善。