速解魔方机器人(上)

1 设计概述
1.1  设计意图
     机器人的出现和发展是计算机技术进步和自动化研究 不断深入的结果。工业机器人的产生提高了人类社会生产 力，极大地改变了工业生产和人类生活样貌。但现有机器人 一般系统较为复杂，并且成本昂贵。
本项目中我们设计了一套基于Linux 操作系统的FPGA- HPS数据交互联合求解魔方的智能魔方破解平台。项目在 FPG A部分利用CCD摄像头识别获取魔方54个小色块的颜 色，通过lw_AXI_FPGA-to-HPS Bridge送到HPS部分，HPS收 到所有54个色块的颜色之后，应用我们独立设计的魔方求 解算法进行求解得到还原该魔方的步骤，再通过lw_HPS-to- FPGA Bridge送到FPGA部分，进而控制舵机来操纵破解平台 上机械手臂旋转伸缩，还原魔方。本系统的主要研究成果包 括：基于Verilog语言的颜色识别算法、多功能VGA显示、独 立自主设计的魔方求解算法、稳定灵活的机械结构。
1.2  适用范围
目前，市场上的机器人都是按照固定的步骤完成相应 的功能，当外界环境出现变动时，机器人就无法完成该功能 了，针对该问题，本作品运用FPGA视频处理技术，对周围 环境进行实时监控，然后再进行相应的操作，大大提高了工

图1  系统实物图    

图2  图像采集和识别功能    

图3　数码管显示效果图
作效率，凸显了机器人像人一样的智慧、灵动。 在实时监控的同时，我们的作品也具有很高的观赏性。魔方本身就具 有很强的吸引力，再加上这个具有人功能的机械外观，一定 显得别具一格。
1.3  本设计采用SoC器件的优势
(1)在DE1-SoC开发板上搭载带有图形界面的Ubuntu系 统，能有效地提高CPU的利用率，简化复杂系统的开发难 度。
(2)DE1-SoC嵌入了ARM-9双核处理器，运算速率高，
适合做算法，能对我们的求解魔方算法进行快速处理。
(3)在ARM上可以开发应用程序来作为控制台， Linux平 台有多种图形库可供选择，让我们的应用程序更加美观，具 有更高的观赏性。

2 功能描述
本设计采用DE1- SoC作为开发平台，成功实现了基于 Linux操作系统的FPGA-HPS数据交互联合求解魔方的智能魔 方破解系统。系统实物图如图1所示。
系统围绕“颜色识别，魔方求解”实现以下功能
2.1  图像采集和颜色识别(Verilog语言编写)
在识别模式下，显示屏将在固定区域出现9个方框，用 于指定图像采集区域。通过调整魔方 的位置，使魔方某面的9个色块均位于 方框内。颜色识别算法对方框内的图 像信息进行实时识别。识别结果会在 液晶屏幕右边的魔方平面展开图中呈 现。魔方展开图中的9个色块与实际的

图4　多功能VGA显示 效果图
9个色块一致， 即实现了图像采集和颜色识别功能,效果如图2。
2.2  破解还原魔方功能
将 C C D 摄 像 头 识 别 到 的 颜 色 数 据，通过DE1- SoC上的LW FPGA-to- HPS Bridge将数据传送给HPS，然后 通过写入在HPS里面的魔方破解算法 得到破解该魔方的算法， 再通过LW HPS-to-FPGA Bridge将破解还原魔方 步骤输出，控制PPGA的GPIO，达到 破解魔方的目的。
2.3  数码管显示
系统得到破解魔方的算法后，将破解该魔方所需的总
步数通过数码管显示出来，破译机器人每按算法操作一步， 数码管显示的数值就会减1，直到数码管显示为0时，魔方算 法执行完毕。效果如图3。
2.4  多功能VGA显示
在液晶显示屏的右边区域绘制出魔方6个面54个格子的 展开图，CCD摄像头识别好实物魔方的颜色后就会将颜色 绘制在展开图的各个方框中，呈现出混乱魔方的六个面的展 开图。具体实现效果如图4。

图5　机器人硬件搭建    

图6　DE1-SoC开发板资源使用情况

图7　系统总体设计框图
2.5  机器人硬件的搭建
利用两个舵机来完成伸缩和旋转，然后利用四个机械 手臂来完成这个机器人系统搭建，通过结构来固定这四个机 械手臂，实现机器人稳定灵活地破解魔方，具体实现效果如 图5。

3 性能参数
3.1 各模块性能参数
(1)DE1-SoC主控板 直流电压：9V 系统频率：CPU工作频率：100MHz (2)CCD摄像头       输入电压：12V TV制式：PAL    工作温度 ： -20℃~70℃(3)MG996R舵机    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电压:4.8V-7.2V
( 4 ) D C -D C 电源    输入电压： 9 ~ 1 6 V    输出电压：6.0~7.4V 体积：40mm*30mm*20mm (5)视频接口解码芯片：ADV7123     工作频率：25MHz    显示分辨 率：640*480
(6)魔方
魔方种类:三阶 魔方尺寸：52mm
魔方重量：0.1g
(7)SD卡
型号：Sandisk/闪迪   容量：8G
读写速度: UHS-1    文件系统：FAT163.2 开发板使用情况DE1-SoC开发板资源使用情况(如图6所示)。4  设计结构
4.1  系统功能设计
系统总体设计框图如图7所示。
4.1.1  HPS部分
在H P S 部分， 分为四个步骤： 控制F P G A 完成颜色识 别->获取魔方颜色->魔方求解->发送求解步骤到FPGA舵机控制模块。
第一步，通过lw_AXI_FPGA- to-HPS Bridge控制FPGA部分的颜色 识别模块和舵机转动模块，按一定 的次序转动魔方，对其六个面依次 进行指定区域的RGB获取。
第二步，六个面所有小色块的RGB获取完成后，HPS对每个小色 块的颜色进行判断，得到准确的颜 色。第三步，根据魔方六个面的颜色，利用我们独立自主 设计的魔方求解算法得出还原魔方的步骤。
第四步，得到步骤之后，通过lw_AXI_HPS-to- FPGA Bridge发送给舵机转动模块。