【2023集创赛】安谋科技杯二等奖作品： 智能体感游戏机

本文为2023年第七届全国大学生集成电路创新创业大赛（“集创赛”）安谋科技杯二等奖作品分享，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！

团队介绍

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（Ki=0.04，Kp=0.17，Kd=0），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~ ~

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