基于FPGA的运动控制系统-毕业论文

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1、基于FPGA的运动控制系统16摘要：本系统采用Cycloneii系列FPGA芯片为控制核心，利用皮肤检测和Bresenham等原理实现对体态的检测、显示和小车控制。系统由FPGA体感识别系统和小车驱动控制系统组成。FPGA体感识别系统由Verilog语言编写而成，该系统采集摄像头视频信息，通过皮肤检测原理获得体感信息。根据体感信息，产生相应的小车命令利用NRF24L01无线传感器发送至小车，同时利用Bresenham算法在VGA显示屏上画出与体感信息对应的小人。小车驱动控制系统利用MSP430F449为控制核心，接受N

2、RF24L01的信息后，通过L297+L298驱动模块驱动小车行进。整个系统易于操作，人际交互友好。关键词：FPGA，体感识别，皮肤检测，Bresenham，小车驱动16目录1引言41.1系统介绍41.2系统功能描述42系统整体方案53系统设计与实现73.1皮肤检测模块73.2Bresenham绘图模块83.3无线控制模块93.4小车驱动模块104系统分析125总结15参考文献16161引言1.1系统介绍体感技术属于NUI（自然人机界面）的范畴，可以让用户通过肢体语言与周边设备或环境互动，其实现手段主要包括：惯性感测、

3、光学感测以及惯性及光学联合感测。市场上比较成熟的产品主要有：微软的Kinect、索尼的PSMove、任天堂的Vii以及来自华硕的Xtion。但是上述的技术对于软件和硬件要求都比较高，不易于学习。本系统利用DE2FPGA开发板和摄像头，结合了OpenCV的皮肤检测思想，完成了手部追踪和脸部追踪的体感识别。该系统主要是追踪手部信息，根据不同的手势信息来驱动小车行走。体感识别由Verilog编写而成，整体思路简明清晰。同时，该系统还增加了虚拟小人的显示，小人会跟随手部信息而变化，使得整个系统操作起来更加生动有趣。1.2系统功

4、能描述本设计选用FPGA硬件处理信号，对图像信号的采集、存储数据同时进行,可以达到高速的并行采集、实时分析和同步存储的目的。我们采用Altera公司的CycloneIIEP2C35F672C6，为保证FPGA的稳定工作，选用25M的时钟对TRDB-D5MCMOS摄像头的图像信号进行并行采集。将采集到的图像调整到640×480的大小并将数据暂时存入SDRAM中。同时VGA控制模块读取SDRAM中的信息，将视频信息显示在VGA屏上。本设计利用皮肤检测不断对视频信息中的皮肤进行追踪，从而实现手势追踪，并在左右屏中算出皮肤的中

5、心点作为手部信息的坐标点，以此作为手势信息。根据上述手势信息，产生对小车的控制命令，通过Nrf24L01无线模块发送至小车。小车接受信息后，作出相应行走动作。本系统提供按键便于用户进进行功能选择，如显示真实视频信息、皮肤信息、虚拟小人等。皮肤信息用于不同背景环境下手势动作的调整，减少了系统的误判。162系统整体方案该系统主要由FPGA体感识别系统和MSP430小车系统两个部分组成。系统框架图如图2.1。图2.1系统框图在FPGA体感识别系统中，首先通过D5M采集视频信息，因为该摄像头采集到的图像是RAW类型的图像，不便

6、于VGA显示，所以必须把RAW图像转化为RGB模式的图像，存入SDRAM中，以便VGA显示时使用。在SDRAM控制时使用了FIFO的形式，实现了SDRAM的多接口写入和读出。从SDRAM中读出的RGB信息，一方面可以送至VGA控制模块中，当（SW[17]&&~SW[16]）==1时，显示视频信息；另一方面送至皮肤检测模块，将检测为皮肤的区域颜色设为白色，中心点为红色，非皮肤区域为黑色，当（~SW[17]&&~SW[16]）==1时，显示皮肤信息。皮肤检测获得的手势信息一方面送至虚拟小人显示模块，该模块利用Bresenh

7、am算法画出虚拟小人，存于SRAM中，当SW[16]==1时，显示虚拟小人；另外一方面送至小车控制模块，根据手势信息在屏幕上的位置信息，利用无线传感器给小车发送行走命令。其具体流程图如图2.2所示。MSP430小车系统由MSP430F499控制器，NRF24L01无线模块、L297+L298组合为小车驱动器和二项四拍步进电机组成。MCU不断读取NRf24L01接收端的信息，根据受到的指令，分别给驱动器不同频率的方波和方向信息。驱动器将16不同频率的方波转换成不同频率的PWM波，从而实现了小车的前进、后退、加速、减速、转

8、弯等动作。图2.2FPGA系统流程图163系统设计与实现系统实现的主要原理是利用皮肤与周围事物在像素点上YUV的值不相同，以此检测出皮肤。根据皮肤检测所得到的左臂和左臂的位置信息，产生小车移动命令，通过Nrf24l01无线模块发送至小车。小车对接受到的信息进行处理，作出相应行为。3.1皮肤检测模块在视频信息中，每帧中图像的像素点都