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介紹
這是使用Digilent Zybo Zynq-7000開發(fā)板為GoPro創(chuàng)建3軸手持照相機穩(wěn)定裝備的指南。此項目是為CPE實時操作系統(tǒng)課程（CPE 439）開發(fā)的。穩(wěn)定器使用三個伺服器和一個IMU來糾正用戶的運動，以保持相機的水平。
項目所需的部件
步驟1：Vivado硬件設(shè)置
讓我們開始為項目創(chuàng)建底層的塊設(shè)計。
- 打開Vivado 2016.2，點擊“Create New Project”圖標(biāo)，然后點擊“Next>”。
- 命名您的項目，然后點擊“下一步>”。
- 選擇RTL項目，然后點擊“下一步>”。
- 鍵入到搜索欄xc7z010clg400-1，然后選擇部分，然后點擊“下一步>”和“完成”。
第2步：設(shè)置模塊設(shè)計（相關(guān)文件見附件）
現(xiàn)在我們將開始通過添加和設(shè)置Zynq IP模塊來生成模塊設(shè)計。
- 在左側(cè)面板的IP Integrator下，單擊“創(chuàng)建塊設(shè)計”，然后單擊“確定”。
- 右鍵單擊“圖表”選項卡，然后選擇“添加IP ...”。
- 鍵入“ZYNQ7處理系統(tǒng)”并單擊選擇。
- 雙擊出現(xiàn)的Zynq塊。
- 點擊“導(dǎo)入XPS設(shè)置”，導(dǎo)入提供的“ZYBO_zynq_def.xml”文件。
- 轉(zhuǎn)到“MIO配置”，選擇“應(yīng)用處理器單元”，并啟用定時器0和看門狗定時器。
- 在“I / O外圍設(shè)備”下的同一個選項卡中，選擇ENET 0（并將下拉菜單更改為“MIO 16 .. 27”，USB 0，SD 0，UART 1，I2C 0。
- 在“GPIO”下，檢查GPIO MIO，ENET復(fù)位，USB復(fù)位和I2C復(fù)位。
- 現(xiàn)在導(dǎo)航到“時鐘配置”。在PL結(jié)構(gòu)時鐘下選擇FCLK_CLK0。然后，點擊“確定”。
第3步：創(chuàng)建自定義PWM IP模塊（相關(guān)文件見附件）
這個IP模塊允許電路板發(fā)送一個PWM信號來控制舵機的運動。增加了邏輯來減慢時鐘，使脈沖以正確的速率輸出。該塊取0到180之間的一個數(shù)字，并將其轉(zhuǎn)換成一個750-2150的usec脈沖。
- 現(xiàn)在，在左上角附近的工具選項卡下，點擊“創(chuàng)建和打包IP ...”，然后點擊下一步。
- 然后選擇“創(chuàng)建一個新的AXI4外設(shè)”并點擊下一步。
- 命名您的PWM IP塊（我們將其命名為pwm_core），然后單擊下一步，然后單擊下一頁上的下一步。
- 現(xiàn)在點擊“編輯IP”，然后點擊完成。這將打開一個新窗口來編輯pwm塊。
- 在“Sources”選項卡和“Design Sources”下，展開“pwm_core_v1_0”（用您的名稱替換pwm_core ），然后打開變得可見的文件。
- 將“pwm_core_v1_0_S00_AXI.v”下提供的代碼復(fù)制并粘貼到項目底部的zip文件中。按Ctrl + Shift + R，用你的名字替換“pwm_core” 。
- 接下來打開“ name _v1_0”，并在文件“pwm_core_v1_0.v”中提供的代碼中復(fù)制。按Ctrl + Shift + R并用名稱替換“pwm_core” 。
- 現(xiàn)在導(dǎo)航到“Package IP - name ”選項卡并選擇“Customization Parameters”。
- 在這個標(biāo)簽中，頂部會有一個黃色的條形文字。選擇此項，“隱藏參數(shù)”將顯示在框中。
- 現(xiàn)在進(jìn)入“Customization GUI”，右鍵點擊Pwm Counter Max，選擇“Edit Parameter ...”。
- 選中“在自定義GUI中可見”和“指定范圍”框。
- 將“類型：”下拉菜單更改為整數(shù)范圍，并將最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為65535，然后選中“顯示范圍”框?，F(xiàn)在點擊OK。
- 在“Page 0”樹下拖動Pwm Counter Max?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到“查看和打包”并點擊“重新打包IP”按鈕。
第4步：添加PWM IP模塊進(jìn)行設(shè)計
我們將IP塊添加到塊設(shè)計中，以允許用戶通過處理器訪問PWM IP塊。
- 右鍵單擊圖表選項卡，然后單擊“IP設(shè)置...”。導(dǎo)航到“資源庫管理器”選項卡。
- 點擊綠色加號按鈕并選擇它?，F(xiàn)在在文件管理器中找到ip_repo并將其添加到項目中。然后點擊應(yīng)用，然后確定。
- 右鍵單擊圖表選項卡，然后單擊“添加IP ...”。輸入您的PWM IP塊名稱并選擇它。
- 在屏幕頂部應(yīng)該有一個綠色的條，首先選擇“運行連接自動化”，然后單擊確定。然后單擊“運行塊自動化”，然后單擊確定。
- 雙擊PWM模塊并將Pwm Counter Max從128更改為1024。
- 將鼠標(biāo)指針懸停在PWM模塊的PWM0上。應(yīng)該有一個小鉛筆，當(dāng)你做的時候出現(xiàn)。右鍵單擊并選擇“創(chuàng)建端口...”，然后在打開窗口時單擊確定。這為要傳遞的信號創(chuàng)建一個外部端口。
- 對PWM1和PWM2重復(fù)步驟6。
- 找到邊欄上的小圓形雙箭頭圖標(biāo)，然后單擊該圖標(biāo)。它會重新生成布局，并且您的塊設(shè)計應(yīng)該看起來像上面的圖片。
步驟5：配置HDL包裝并設(shè)置約束文件（相關(guān)文件見附件）
我們現(xiàn)在要為我們的模塊設(shè)計生成高級設(shè)計，然后將PWM0，PWM1和PWM2映射到Zybo板上的Pmod引腳。
- 轉(zhuǎn)到“來源”選項卡。右鍵點擊“Design Sources”下的塊設(shè)計文件，然后點擊“Create HDL Wrapper ...”。選擇“復(fù)制生成的包裝，以允許用戶編輯”，然后單擊確定。這將生成我們創(chuàng)建的塊設(shè)計的高級設(shè)計。
- 我們將輸出的Pmod是JE。
- 在“文件”下，選擇“添加源...”并選擇“添加或創(chuàng)建約束”，然后單擊“下一步”。
- 點擊添加文件，然后選擇包含的“ZYBO_Master.xdc”文件。如果你查看這個文件，你會注意到除了“## Pmod Header JE”下的六個“set_property”行之外，所有內(nèi)容都沒有注釋。您會注意到PWM0，PWM1和PWM2是這些行的參數(shù)。它們映射到JE Pmod的引腳1，引腳2和引腳3。
第6步：生成比特流
在我們繼續(xù)之前，我們需要生成硬件設(shè)計的比特流以導(dǎo)出到SDK。
- 在側(cè)欄的“程序和調(diào)試”下，選擇“生成位流”。這將運行綜合，然后執(zhí)行，然后生成設(shè)計的比特流。
- 糾正彈出的任何錯誤，但通常可以忽略警告。
- 轉(zhuǎn)到文件 - >啟動SDK，然后單擊確定。這將打開Xilinx SDK。
第7步：在SDK中設(shè)置項目
這部分可能有點令人沮喪。如有疑問，建立一個新的BSP并替換舊的BSP。這節(jié)省了我們一大堆的調(diào)試時間。
- 首先下載最新版本的FreeRTOS 。
- 通過單擊文件 - >導(dǎo)入，從FreeRTOS中提取所有內(nèi)容并將其導(dǎo)入到SDK中，然后在“常規(guī)”下單擊“現(xiàn)有項目進(jìn)入工作區(qū)”，然后單擊下一步。
- 在FreeRTOS文件夾中進(jìn)入“FreeRTOS / Demo / CORTEX_A9_Zynq_ZC702”。只從這個位置導(dǎo)入“RTOSDemo”。
- 現(xiàn)在點擊File-> New Board Support Package生成一個Board Support Package（BSP）。
- 選擇“ps7_cortexa9_0”并選中“l(fā)wip141”，然后單擊確定。
- 右鍵單擊RTOSDemo藍(lán)色文件夾并選擇“Project References”。
- 取消選擇“RTOSDemo_bsp”并檢查剛剛創(chuàng)建的新BSP。
第8步：FreeRTOS代碼修改（相關(guān)文件見附件）
我們提供的代碼可以分成7個不同的文件。main.c，iic_main_thread.c，xil_printfloat.c，xil_printfloat.h，IIC_funcs.c，IIC_funcs.h和iic_imu.h。iic_main_thread.c中的代碼已經(jīng)從Kris Winer的庫中調(diào)用。我們主要改變了他的代碼，把任務(wù)合并到Zybo板上。我們還增加了計算相機方向校正的功能。我們留下了幾個對調(diào)試有用的打印語句。他們中的大多數(shù)被評論，但如果你覺得需要你可以取消他們的評論。
- 修改main.c文件最簡單的方法是用我們包含的main.c文件中的代碼復(fù)制代碼。
- 要創(chuàng)建一個新文件，請右鍵點擊RTOSDemo下的src文件夾并選擇C Source File。將該文件命名為“iic_main_thread.c”。
- 復(fù)制包含的“iic_main_thread.c”中的代碼并將其粘貼到新創(chuàng)建的文件中。
- 用剩余的文件重復(fù)步驟2和3。
- 在gcc中需要一個鏈接指令。要將其添加到構(gòu)建路徑中，請右鍵單擊RTOSDemo并選擇“C / C ++構(gòu)建設(shè)置”。
- 一個新窗口將打開。導(dǎo)航到ARM v7 gcc鏈接器 - >庫。選擇右上角的小文件，然后輸入“m”。這將包括項目中的數(shù)學(xué)庫。
- 使用Ctrl + B構(gòu)建項目來確認(rèn)一切正常。檢查生成的警告，但您可能會忽略它們。
- 有幾個地方需要修改，主要是你當(dāng)前位置的磁偏角。我們將解釋如何在教程的校準(zhǔn)部分中進(jìn)行更改。
第9步：穩(wěn)定器的3D打印（相關(guān)文件見附件）
您需要3D打印這個項目的幾個部分。可以購買與我們的印刷部件具有相似尺寸/尺寸的部件。
- 使用提供的文件打印GoPro的手臂和托架。
- 您需要將腳手架添加到.stl文件。
- 一旦打印，修剪/清理多余腳手架的部分。
- 如果您愿意，可以用3D打印部件替換木制銷釘。
步驟10：組裝零件
這是安裝穩(wěn)定器的幾個部分。購買的支架配有4個自攻螺釘和4個帶螺母的螺栓。由于有3個舵機，其中一個伺服喇叭需要預(yù)先敲擊，以允許2個螺栓穿過。
- 將8個引腳焊接到IMU中，每邊4個。
- IMU連接到支架中央的GoPro 3D打印支架上。
- 調(diào)整支架的方向，使伺服安裝孔位于左側(cè)。將IMU放置在距離您最近的邊緣，引腳懸掛在邊緣上。然后，將GoPro安裝架放在IMU的頂部，將IMU和安裝架固定在支架上。
- 將HS-5485HB連接到集成在3D打印臂上的伺服支架。
- 將GoPro支架旋入連接到機械臂的伺服系統(tǒng)，確保伺服機構(gòu)處于其運動范圍的中間位置。
- 接下來，將HS-5685MH伺服器連接到伺服支架上。然后用其中一個螺絲輕敲伺服喇叭。現(xiàn)在將伺服器連接到最后一個伺服支架的底部。
- 現(xiàn)在將最后一個伺服器連接到HS-5685MH伺服器上的支架上。然后將手臂旋入該伺服器，確保手臂已擰緊，以便每個方向移動90度。
- 為了完成萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)，在GoPro支架和3D印刷臂之間加入一小塊木銷。你現(xiàn)在已經(jīng)組裝了穩(wěn)定器。
- 最后，您可以添加連接到底部伺服支架的手柄。
步驟11：將Zybo連接到穩(wěn)定器
這樣做時有幾件事要小心。你要確保電源的5V不會進(jìn)入Zybo板，因為這會導(dǎo)致板的問題。確保仔細(xì)檢查你的跳線，確認(rèn)沒有電線被切換。
- 將Zybo附加到穩(wěn)定器上，您將需要15根male-to-male 跳線和4對male-to-female跳線。
- 首先，沿面包板的+和 - 導(dǎo)軌將兩個跳線連接到您的5V電源。這些將提供舵機的權(quán)力。
- 然后，將3對跳線連接到面包板的+和 - 導(dǎo)軌上。這將是每個舵機的動力。
- 將+和 - 跳線的另一端插入每個舵機。
- 在面包板的導(dǎo)軌和Zybo JE Pmod的一個GND引腳之間連接跳線（見步驟5的圖片）。這將在Zybo電路板和電源之間建立一個共同點。
- 接下來將信號線連接到JE Pmod的引腳1，引腳2和引腳3。引腳1映射到底部伺服器，引腳2映射到手臂末端的伺服器，引腳3映射到中間伺服器。
- 將4根母線插入IMU分線的GND，VDD，SDA和SCL引腳。GND和VDD插入GND和JF引腳上的3V3。將SDA引腳插入引腳8，將SCL插入JF的引腳7（參見步驟5的圖片）。
- 最后，使用micro USB電纜將電腦連接到電路板。這將允許uart通信，并允許您編程Zybo板。
第十二步：真北校正
IMU中的磁強計的校準(zhǔn)對于裝置的正確操作是重要的。磁偏角將磁北向校正為正北。
- 為了糾正磁性和真北方的差異，你需要結(jié)合兩種服務(wù)，谷歌地圖和NOAA的磁場計算器。
- 使用Google地圖查找您當(dāng)前位置的緯度和經(jīng)度。
- 把你當(dāng)前的經(jīng)緯度插入磁場計算器。
- 返回的是磁偏角。將此計算插入“iic_main_thread.c”行378中的代碼。如果你的赤緯是東，然后從偏航值減去，如果是西，那么增加偏航值。
*照片取自Sparkfun的MPU 9250連接指南。
第13步：運行程序（相關(guān)文件見附件）
你一直在等待的那一刻！該項目的最好的部分是看到它的工作。我們注意到的一個問題是，從IMU報告的數(shù)值有所偏離。低通濾波器可以幫助糾正這種漂移，并且用磁力計擺弄，加速度和陀螺儀校準(zhǔn)也將有助于糾正這種漂移。
- 首先，在SDK中構(gòu)建所有，這可以通過按Ctrl + B來完成。
- 確保電源已打開并設(shè)置為5V。仔細(xì)檢查所有電線是否正確到位。
- 然后，要運行該程序，請按任務(wù)欄上部中心的綠色三角形。
- 程序運行時，舵機全部復(fù)位到0位，準(zhǔn)備好鉆機移動。程序初始化后，舵機將回到90度的位置。
- 一個磁力計校準(zhǔn)功能將運行，方向?qū)⒈淮蛴〉経ART終端，您可以通過串行監(jiān)視器（如“putty”或SDK中提供的串行監(jiān)視器）連接到該終端。
- 校準(zhǔn)將使您將圖8中的設(shè)備移動大約10秒鐘。你可以通過注釋“iic_main_thread.c”的第273行來刪除這一步。如果你注釋掉，你需要取消注釋行323 - 325“iic_main_thread.c”。這些值最初是從上面的磁力儀校準(zhǔn)中收集的，然后作為值插入。
- 校準(zhǔn)后，穩(wěn)定碼將被初始化，設(shè)備將保持相機穩(wěn)定。
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