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参赛单位武汉理工大学 队伍名称抓取信号线 指导老师李宁徐宁 参赛队员黎飞宇乔新远薄明哲 总决赛奖项二等奖
1 设计简介
1.1 总体介绍
本项目基于Cortex-M3软核构建了一个智能体感游戏机选用1024*600分辨率的HDMI屏幕作为游戏的显示屏在清晰显示游戏内容的同时保证了便携性并设计多种IP来满足游戏机的设计包括Digital Recognition、Flex Sensor Controller、Voice Recognition、Robot Arm、Hand Shank、Dma、Hdmi、Sdram Controller、Music、Gyroscope、Ov5640等IP。
1.2 系统设计 本项目采用两级总线架构第一级总线是AHB总线有四个主机Cortex-M3内核的三根总线数据、指令、系统和DMA IP。其中I-Code负责取址操作D-Code负责数据访问操作System负责所有数据的传送。 因我们使用的屏幕分辨率为1024*600图像数据量较大单纯使用软核传输数据会大量占用核内资源且传输较慢导致图像卡顿。故此我们设计了DMA外部SRAM的结构来解决图像刷新率慢的问题外部SRAM负责存储大量的图片数据DMA IP负责将外部SRAM的数据搬运至SDRAM前的写FIFO缓冲器中异步FIFO完成数据的跨时钟域再由SDRAM控制器从写FIFO中将图片数据写至SDRAM中供HDMI屏幕显示由此完成图像数据的流动。
此结构不仅可以很好地解决图像数据传输的问题还可以大大简化游戏机的软件开发软件开发人员只需要在keil上修改背景数组的图像数据即可完成游戏的编写后续工作交给DMA完成数据的流动即只需要一次布局布线即可完成任意游戏的开发。 第二级为AHB和APB总线其中APB总线下主要挂载供游戏使用的各种IP包括数字识别、体感手套、语音识别、机械臂控制、手势识别、SDRAM控制器、DMA控制器、音乐控制器、无线手柄、陀螺仪、串口、LED灯等。AHB总线下我们预留了接口方便后续对系统进行升级。 数字识别IP主要应用于儿童数字启蒙游戏通过识别不同的数字卡片来填写给出的算式填写正确即闯关成功。 体感手套IP用来获取人手的不同姿态语音识别IP用来获取人的语音信号手势识别IP来获取人的手势动作无线手柄IP来获取手柄的按键状态通过不同的感知方式来控制游戏的进程。 Cortex-M3软核主要的工作是各模块的状态控制以及游戏图像数据的修改起到桥梁的关键作用。主要包括手势识别状态的获取、数字识别信息的获取、机械臂的控制、体感手套数据的处理、语音信号的控制LED灯的亮灭、背景音乐的启停、串口的收发、图片数据的更新、手柄状态的检测等等。
1.3 数字识别 数字识别的流程为将OV5640摄像头得到的数据首先传入RGB转YcbCr模块将彩色图先转换为灰度图像获取图像的灰度等级经过滤波模块滤除高频噪声后将数据传送至定位模块定位数字的位置后送入数字识别模块通过寻找数字特征判断读取到的数据识别速度达到了ms级。
1.4陀螺仪滤波
本次项目中我们选用了MPU6050这一款性价比较高的六轴陀螺仪。陀螺仪的滤波以及姿态解算是设计中的一大难点我们在查阅资料后决定采用互补滤波算法加四元数解算来求得陀螺仪的姿态角。 加速度计的静态稳定性更好而在运动时其数据相对不可靠陀螺仪的动态稳定性更好但是静止时数据相对不可靠。因此我们可以短期相信陀螺仪长期相信加速度计使用互补滤波算法可以很好的解决这个问题即通过加速度计的输出来修正陀螺仪的积分累积误差。 我们在内核中采用定时中断10ms为周期进行采样。四元数即为我们要求的实际值将实际值与加速度的理论值做叉乘即可得到误差。使用PID控制器对误差进行消除Ki0.04Kp0.17Kd0便达到了互补滤波的效果实际是用加速度计的值去补陀螺仪的动态误差随后求解四元数方程即可得到四元数的值。
1.5 操作方式
根据所需要的设计的游戏我们加入了多种方式操作游戏以下介绍控制游戏所需要的模块
通过手柄进行角色移动与按键操作。
通过智能手套控制角色移动与按键操作。
2.游戏介绍
该游戏机共设计5款游戏1款经典的炸弹人2款双人对战游戏1款儿童数字启蒙游戏一款现实矿工游戏。
2.1 炸弹人游戏 玩家扮演一个机器人通过放置炸弹来炸死敌人但也可以炸死自己中随机生成效果道具增加了游戏的可玩性。本次智能游戏机的设计在一定程度上还原了这款经典游戏在原有的操作基础上增加删改了一些设定。
2.2弹力网球 本游戏是我们独立设计的一款游戏以简单的弹力球游戏做为起点通过添加移动的人物与球互动即更改球的坐标使得此游戏获得了一定的可玩性由于设置了双人所以在可玩性的基础上增添了竞技性同时我们为球增添了一定的重力加速度使其模拟更加真实。我们将游戏基于玩家的回馈机制调整为得分机制进一步增添了游戏的可玩性。
2.3混乱枪战
《混乱枪战》是我们着重设计的一款游戏通过设置大量标志位如跳跃标志开枪标志等来记录角色的各个状态同时我们给予了各角色不同的重力加速度模拟了真实的物理引擎。通过碰撞算法来设置角色与个平台之间的交互。
当玩家血条为零或者掉落平台没有及时的跳跃时其生命次数会减少当一方玩家的生命次数为零时游戏结束另一方获胜。
2.4数字计算
这是我们针对儿童设计的一款数字启蒙游戏并设计了数字识别的智能IP玩家在有限的时间内将正确的数字放在摄像头下进行识别并填入游戏界面中。在玩游戏的过程中同时对幼儿进行启蒙教育游戏设计玩法多样且富有现实意义。
2.5机械矿工
我们设计的第五款游戏叫做《机械矿工》其设计灵感来自于经典的童年游戏《黄金矿工》与之不同的是《机械矿工》需要利用现实中的工具将矿宝转移到合适的位置中。 到这里就完成了游戏玩法以及游戏内容的简单介绍可以看到我们的作品游戏种类丰富并且玩法多样其中包括了许多智能化内容兼具了实用性与可玩性。
总结
本游戏机提供多种游戏供玩家选择有单机游戏和多人游戏包含经典、益智、对战、射击、运动等多个方面内容丰富并设置多种控制方式大大增添了游戏的乐趣游戏玩法多样、新颖趣味性十足且有深远意义。
集创八个月的比赛时间里我们碰到了许多困难遇到了许多挫折最终我们也是都挺了过来也做出了一款不错的作品得到了不错的成绩。总而言之这次比赛历程对于我们来说是一次非常丰富的成长经历啦~ ~ 参加极术社区的【有奖征集】分享你的2023集创赛作品秀出作品风采分享2023集创赛作品扩大影响力更有丰富电子礼品等你来领
