FPGA开源项目：小球追踪系统设计

1简述

本设计基于颜色特征识别实现，这个并不算高大上的算法，个人能力有限再加上FPGA算法实现难度不小，所以采用最简单的算法实现，作为FPGA的入门学习足以。这个设计是19年4月左右做出来的，那时自己对FPGA的认知比较朦胧、FPGA的开发能力也一般，所以在本设计上有很多有问题的地方，到现在也没时间去修改，希望有能力的小伙伴来完善，在此先谢谢了！

在初学FPGA的时候，根据邓堪文的《SDRAM的那些事儿》视频教程完成了基于FPGA的图像采集系统。但是Bug很多，当时我的能力太差没能解决问题 ，所以后面的做的图像处理项目都没用使用。本设计也是一样，使用的是FPGA板卡配送的图像采集例程，我在此基础上进行的开发，添加图像处理模块以及二轴舵机控制模块。

2 算法架构

图像采集显示流程一般是：FPGA把摄像头采集图像数据缓存到SDRAM，再从SDRAM搬运到LCD驱动进行输出显示。从图1总体框图可以知道，在LCD图像流输出时进行图像处理。图像处理模块采用流水线处理的方式，先后完成RGB2YCbCr（二值化）、膨胀腐蚀的形态学滤波和目标物体坐标提取，最后输出图像以及物体的坐标。然后舵机驱动模块驱动两轴舵机实现实时追踪。

图1

3 图像算法模块的简单介绍

下图是图像处理模块顶层的部分截屏，这个实现图像选择输出，通过按键来选择原图、二值化、腐蚀以及膨胀这四种图像效果的其中之一输出。

图2

顶层例化所有的图像算法模块，同时也有串口，这是为了方便调试二值化的阈值参数，可以缩短调试时间，提高效率。

图3

下图是目标物体坐标提取模块的，计算办法就是把有效的坐标做累加，最后除以有效像素的数量就可以得到目标物体的坐标了。

图4

串口接收的调参数据最后用在RGB2Ycbcr模块里，未注释的就是最后调参完成确定的阈值。当你需要调整阈值时把上部分注释，取消下部分注释。串口调参命令为：01xx0102xx0203xx0304xx04。xx为你需要输入的值，4个xx分别对应调参的四个数据。

图5

图像处理有疑惑就这些地方了，其他的像算法实现原理自己百度看博客学习吧，内容太多但是不复杂。

4 舵机驱动模块

舵机控制就是产生PWM，具体原理百度。下图产生0.4us的基准时间，在这个基准上再产生20ms的舵机控制周期，pulse_cnt。

图6

将图像处理模块得到的水平、垂直两个方向的坐标进行转换，得到舵机旋转角度的控制值。坐标与中心坐标相减得到目前物体的偏移量，这里除以一个系数是进行PID的比例调节。直接用 / 有点违规，这里最好使用除法器IP处理下。最后得到x_value和y_value值，这是控制舵机旋转角度的值，与上面得到的pulse_cnt比较输出PWM。

图7

审核编辑 ：李倩