引言

　　智能機器人是具有感知思維和行動功能的機器。要使機器人具有感知環境的能力，對環境變化做出適當的反應，實現智能化，就要采用傳感器采集環境信息并用適當的信息融合方法將環境信息加以綜合處理[1]。

　　基于FPGA(現場可編程門陣列)的智能超市手推車是把智能機器人領域的相關技術應用到了傳統的超市手推車上，并結合了FPGA技術、射頻識別技術以及多傳感器接入技術為一體，使得傳統的超市手推車具有智能機器人的特性，實現了手推車自動跟隨用戶購物，RFID(射頻識別)電子鑰匙開關等功能。利用FPGA的并行處理等方面的優勢，可以很好地對多組傳感器采集到的數據進行實時處理分析，綜合控制小車的行動姿態，通過脈寬調制(PWM)，也可以控制小車行進中的跟隨速度。利用FPGA在邏輯控制等方面的優勢，實現對語音導購模塊以及RFID電子標簽模塊的綜合控制作用。

　　FPGA的硬件資源極為豐富，預留的引腳接口眾多，這也為小車日后功能的升級留有可能性。本文的創新點在于：對傳統的超市手推車的智能化改造;利用FPGA的多傳感器接入;電機PWM的數字控制精確度高;系統多功能，具有擴展性。

　　硬件介紹及系統原理

　　本系統實現了基于FPGA的超市手推車智能跟隨購物的功能，為了實現小車對環境的感知與小車自動行使的功能，本作品采用了自頂向下的設計方法，分別針對不同的功能模塊，設計了相應的IP核，在FPGA內部完成對數據的處理分析。由于系統采用模塊化的設計思想，系統整體的實時性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿足了設計需求。

　　硬件介紹

　　基于小車需要對周圍環境信息的改變做出實時響應，系統采用了雙紅外線傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數據發送到FPGA，經過FPGA的處理，通過PWM控制減速電機驅動板產生電機的驅動信號，最終實現對電機的控制。另外，RFID電子標簽作為智能小車唯一的開啟鑰匙，不但提高了小車使用的安全性，也提高了使用過程中的便捷性。圖1所示為小車硬件設計的總體框圖。

　　系統采用的紅外線傳感器是E18-D80NK反射式接近開關傳感器，是一種集紅外線發射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測量0~80cm之間的障礙物，廣泛應用于障礙物監測、流水線計數、門禁系統等多種場合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調節監測距離，并可以輸出TTL的檢測信號給處理器。

　　系統采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補償、集超聲波收發功能的全數字傳感器。可提供3cm~3.5m的非接觸式距離感測功能，包括超聲波發射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線以外，還有一個信號輸入/輸出引腳，分別用于啟動傳感器測距與發送測量信號。該產品具有品質好、超快響應、抗溫度干擾、與極高的性價比等優點。

　　系統原理及結構設計

　　系統利用FPGA的可編程及硬件實現上的優點，最大限度地利用FPGA的硬件資源來代替傳統軟件編程的數據采集方法，保證了數據采集的準確、高效[2]。系統功能的實現由五個模塊協同完成，包含了頂層模塊、超聲波啟動信號發生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊。系統采用FPGA開發板上提供的50MHz時鐘作為全局參考時鐘，通過FPGA內部的鎖相環(PLL)對這一全局時鐘進行分頻處理，來滿足對不同模塊的時鐘要求。由于電機供電需要12V電壓驅動，而FPGA開發板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統采用了光耦器件作為電機驅動板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對FPGA開發板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應的信號驅動，這就利用了FPGA的可重復編程的特性，依靠VHDL硬件描述語言對加入的傳感器編寫對應的IP核模塊，完成數據的綜合采集、處理過程，也使得日后小車功能的升級更加便利。系統結構框圖如圖2所示。