摘 要在自动化与智能化发达的今天，机器人与无人智能运载工具在人类生活中扮演着愈发重要的角色。高度智能化的机器人与智能无人车，必将极大地改变我们的生活。如何成功规避前方的障碍物，防止触碰周围物品或者行人，成为研发无人智能运载设备中必须面对的挑战。综上，设计并实现一套适用于无人智能平台的智能避障系统，具有深远的研究意义，同时具有广泛的应用前景。现有常见避障解决方案一般依托于单片机处理平台，由于其较低的时钟频率、较为匮乏的片内资源，不足以支撑机器人繁重的信息处理任务；常见的距离传感器如CCD摄像头与接近开关等，由于其较低的灵活性与繁琐的驱动方式，不能很好地完成机器人的自动避障功能。本文主要设计了一种基于智能车平台Zrobot的自动避障功能的实现方法。在本设计中使用Xilinx已有平台Zynq作为中央处理芯片。Zynq新颖的“双ARM核+FPGA”的构建以提供强大的计算能力；使用超声波测距模块作为设计的距离传感模块。设计可以产生四路PWM波的IP内核，进行小车运动姿态的控制；设计可以采集三个方向的障碍物距的超声测距IP内核,完成前方距离数据的采集；调用相关IP内核搭建Zynq硬件系统框架。编写合适算法，实时反馈，达到智能车在前方遇到障碍物可以及时通过调整运动姿态，做出正确规避动作的要求。
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 智能车自动避障功能的现实意义 1
1.2 现有避障解决方案的特点与不足 2
1.3基于Zrobot平台自动避障功能的实现 5
1.4 研究意义 7
第2章 整体方案设计 8
2.1 功能模块 8
2.1.1 硬件模块组成 8
2.1.2 软件程序设计 9
2.2 具体开发流程 10
第3章 电机驱动与运动单元 12
3.1 直流电机单元概述 12
3.1.1 直流电机电源驱动 12
3.1.2方波脉宽调制与运动姿态控制 12
3.2四路PWM波IP内核的搭建 13
第4章 超声波传感器单元 17
4.1 超声波传感器单元
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概述 17
4.1.1 超声波传感器的电源驱动 17
4.1.2 超声波传感器时序 18
4.2 三路超声测距IP内核的导入 18
第5章 自动避障功能实现 22
5.1可编程逻辑部分（PL部分）硬件系统框架的搭建 22
5.1.1 IP模块连接与布局 22
5.1.2 生成比特流 22
5.2处理系统部分（PS部分）程序编写 23
5.2.1 程序框架 23
5.2.2 整机联调 35
第6章 总结与展望 28
参考文献 29
致谢 31
附录 32
1. 部分关键程序 32
2. 攻读学士学位期间所获得的成果和荣誉 34
第1章 绪论
1.1智能车自动避障功能的现实意义
在自动化与智能化发达的今天，机器人与运载工具在人类生活中扮演着愈发重要的角色[1]。智能机器人如智能无人车作为具有特殊意义与功能的运载工具，正不断朝着高度智能化、集成化发展[2]。集成电路与神经网络、自动化技术、现代控制原理的发展，使得传统意义上的“汽车行业”，正在发生翻天覆地的变革。随着国际科技巨头如Google、Sony、Boston Dynamic公司正在不断加快无人汽车与智能多功能机器人的研发步伐，预示着有一天，高度智能化的机器人与智能无人驾驶车辆，必将走进千家万户，带给我们方便与便利，极大地改变我们的生活。
所谓智能机器人，是指具有基于一定处理控制平台，搭载多种传感器，具有一定的行动决策能力，可以根据外在环境与控制员的指令做出适当与正确反应的智能化运动平台[3]。机器人的发展，无疑让身受生理局限的人类似乎拥有了“第三只手”与“第三只眼”。机器人等无人智能平台凭借其独特的体积与多元传感器的优势，在特殊复杂甚至是恶劣的环境中，帮助人类完成凭借自己无法完成的任务。
还是在1959年，世界上第一台真正意义上的智能工业化机器人在美国Unimation公司的德沃尔与约瑟夫英格伯格手里迈出了机器人历史上的 “第一步”[4]。从此，智能机器人朝着多元化发展，以其独特的方式，呈百花齐发式地，在人类文明史的长河里，绽放出绚丽夺目的色彩。在此后数十年时间里，出现了可以在人类血管里运动的并实时监控体内肿瘤病况的“胶囊机器人”；由中国研发的可以进行深海探测与搜索作业的4500米级深海无人遥控平台“海马”；可以悄无声息潜入敌方阵地并进行军事侦查的微型昆虫机器人“大黄蜂无人机”[5]。甚至出现了帮助不在家的主人实时监控家里宠物生活状况并可实现自动喂食的家用机器人。如图1.1所示，是由Boston Dynamic公司研发并设计制作的军用负重机器人“BigDog”。


图1.1军用负重机器人“BigDog”
随着机器人与智能平台无人化、智能化程度的提高，如何成功规避前方的障碍物，防止触碰周围脆弱易碎的物品，亦或是无人汽车躲避前方正在行走的行人，甚至是家用机器人躲避前方好奇的猫咪等宠物，这些看似简单而又十分现实的问题，成为正在研发智能运载设备的研发人员必须直面的挑战[6]。
机器人的自主运动需要根据自己传感器实时检测前方道路与周围障碍，寻找最优路径，实现自主引导与自主前进。无人驾驶汽车不仅需要通过自动避障系统规避路边静止障碍物，并且避让道路上的高速运动的其它车辆[8]。这样对避障系统的高速性与实时性提出较高要求。其它家用探测机器人由于家庭内杂乱的环境，甚至是宠物的干扰，对避障系统的探测精度及运动系统的灵活性甚至是整套系统的体积都有严苛要求。此外，军用机器人将要面临复杂恶劣的电磁干扰环境，需要避障系统能够适应战场的复杂电磁环境并保持持续的稳定性能[7]。
综上，设计并实现一套适用于无人智能平台的智能避障系统，具有深远的研究意义，同时具有广泛的应用前景。
1.2现有避障解决方案的特点与不足
无人智能车与机器人发展到今天，已经有许多非常成熟的避障解决方案，并在不同的场景根据实际，得到广泛运用[9]。现有的众多避障解决方案,有其独特的优势，同时也可能存在某些不足。现就将目前常见避障方案进行一些讨论与分析。
（1）CCD摄像头避障方案：
无疑，CCD摄像头有其许多无可替代的优势。CCD是一种电荷耦合元件，里面分布着的众多微小光敏单元是其实现图像传感的基础，感光单元可以将经过聚焦后的光信号转换为模拟信号，经过MCU的AD采集可以很方便地将图像采集并处理为数字信号，方便MCU中央处理单元进行图形分析与复现或者是存储。CCD以其超高的灵敏度与快速相应的特点得到许多避障方案的青睐，同时由于其具备强大的抗冲击能力与良好的稳定性也使其在图像处理领域得到更多的应用[10]。功耗小，体积小寿命长的特点无疑也增加了作为避障解决方案的可行性。根据其光敏单元的排布方式可以将CCD摄像头分为线性CCD与面阵CCD两大类。在现实中避障中两种CCD摄像头都在不同的精度要求下得到运用。
线性CCD摄像头由于光敏单元的分布方式，采集的图像为n×1的线性点阵。点阵中的每一位是一个介于0到128的数值，数值的大小表示该采光点采集得的光信号强弱。该种摄像头适用于精度要求不高的避障场合，通过算法判断采集得到图像中物体的尺寸，进而判断障碍物的距离，经算法处理，实现避障。

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