【正文】 ...... 16 主控模塊 ........................................................................................................................16 并行輸入 /輸出控制器 (PIO)概述 .............................................................................16 輸出控制 ...............................................................................................................16 輸入控制 ...............................................................................................................16 PIO 口寄存器 .........................................................................................................17 通用同步 /異步收發(fā)器 (USART) 概述 ......................................................................19 USART 用戶接口 ...................................................................................................19 電機(jī)驅(qū)動模塊 .................................................................................................................20 通信方式 ...............................................................................................................20 通信協(xié)議概要 ........................................................................................................20 指令包 ..................................................................................................................20 應(yīng)答包 ..................................................................................................................21 指令類型 ...............................................................................................................21 內(nèi)存控制表 ...........................................................................................................22 避障模塊 ........................................................................................................................23 目錄 IV 結(jié) 束 語 ................................................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................... 25 嵌入式智能小車設(shè)計及實現(xiàn)（避障） 1 第一章 緒論 智能小車的意義和作用 自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的 夢想。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或 CCD，目前的 CCD 已能做到自動聚焦。但CCD 傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。 機(jī)器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和 避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。 避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（ AVG— autoguide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。 該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 CPU。機(jī)器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測到障礙物自動躲 避。 智能小車的現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、 DVD、洗衣機(jī)、汽車等消費類產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢。各種智能化小車在市場玩具中也占一個很大的比例。高科技含量的電子互動式玩具已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流。因此，遙控和智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高的市場價值的。 智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控 制等模塊組成。本次課題準(zhǔn)備設(shè)計一種能夠?qū)崟r采集傳感器信號、智能分析外部環(huán)境以及路徑信息、自動實現(xiàn)方向控制等功能的智能小車。 在 80 年代中期，設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮已經(jīng)席卷全球，世界上一些著名的公司開始研制移動機(jī)器人。 90 年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)和真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人的更高層次的研究?，F(xiàn)在機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣，種類也越來越多，但大體上可分為輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人。智能小車就是輪式機(jī)器人的一種，雖然是最基本的機(jī)器人雛形，但其中已包 含了大部分功能。 如今計算機(jī)科學(xué)、機(jī)電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)變得嵌入式智能小車設(shè)計及實現(xiàn)（避障） 2 越來越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念無法滿足人們的需求，而智能控制能與這些傳統(tǒng)的控制有機(jī)的結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，提高整體的優(yōu)勢更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時代。 機(jī)器人領(lǐng)域近幾年有如下幾個發(fā)展趨勢： （ 1） 性價比逐步提高，性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單價不斷下降。 （ 2） 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展 ，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。同時，器件集成度提高。從而，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。 （ 3） 傳感器的作用日益重要，除傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、聲覺、力覺、觸覺等多種傳感器的融合技術(shù)已用來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。 （ 4） 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已經(jīng)從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操作機(jī)器人。 （ 5） 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室 ，走入實用化階段。 嵌入式智能小車設(shè)計及實現(xiàn)（避障） 3 第二章 方案設(shè)計與論證 主控系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下： 方案一： 采用各類數(shù)字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對外圍避障信號進(jìn)行處理。本方案電路復(fù)雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴(kuò)展，對各路信號處理比較困難。 方案二： 采用單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的 優(yōu)勢 ——控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。 針對本設(shè)計特點 —— 多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡 I/O 口和程序存儲器的小體積單片機(jī)， D/A、 A/D 功能也不必選用。根據(jù)這些分析 ,我選定了 AT91SAM7S64 單片機(jī)作為本設(shè)計的主控裝置， arm7 單片機(jī)擁有 64K 字節(jié)的高速 Flash 和 16K 字節(jié)的 SRAM，對于本設(shè)計綽綽有余。 在綜合考慮了傳感 器、四部電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素后，我們決定采用 arm7 作為主控芯片。 電機(jī)驅(qū)動模塊 方案一： 采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制 ,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整 .此方案的優(yōu)點是電路較為簡單 ,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢 ,易損壞 ,壽命較短 ,可靠性不高。 方案二： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案三： 采用功率三極管作為功率 放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H 型橋式電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高， H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 嵌入式智能小車設(shè)計及實現(xiàn)（避障） 4 方案四： 采用 proMO