【正文】 設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件、相關(guān)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳送格式。古往今來(lái)，我國(guó)對(duì)探索月球有著矢志不渝的追求。更讓人振奮的是“嫦娥二號(hào) ”在飛行 180 余小時(shí)后，在 10 月 9日上午 11 時(shí) 32 分正式進(jìn)入軌道高度為 100 公里、周期為 118 分鐘的圓形環(huán)月“使命軌道”。實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)將是我國(guó)航天深空探測(cè)零的突破。這個(gè)探測(cè)器 2022 年就已經(jīng)發(fā)射。這個(gè)月球著陸器落在月球表面就位探測(cè)后，再將從月球上所取的樣品放回到返回器上，返回器最終把樣品帶回地球。在航天深空探索上，美國(guó)人有著全世界最好的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)最初的設(shè)計(jì)， “勇氣 ”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)用來(lái)執(zhí)行為期 90天的火星探索任務(wù)，但這兩個(gè)機(jī)器人最終上演了超齡服役的壯舉。本文所述的智能探測(cè)小車(chē)，是類(lèi)似火星車(chē)，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的一種機(jī)器人，它具有機(jī)器人的基本特征——易于再編程。而智能探測(cè)小車(chē)，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)。智能探測(cè)小車(chē)最適合在那些人類(lèi)無(wú)法工作的環(huán)境中工作，因此這類(lèi)機(jī)器人小車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)未來(lái)的工業(yè)和社會(huì)具有十分重要的意義。在對(duì)智能探測(cè)小車(chē)的研究中面臨的最大難題在于小車(chē)本身是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即機(jī)器人小車(chē)的“ 智能” 在于它有自己的大腦，有自己的軀干，它不僅會(huì)思考而且要有效的管理自己軀干的各個(gè)部件。由于智能探測(cè)小車(chē)對(duì)控制以及精度的要求，控制系統(tǒng)的軟件部分亦將變的龐大而復(fù)雜。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠自動(dòng)識(shí)別路徑，自動(dòng)控制穩(wěn)定性，自動(dòng)拍攝識(shí)別沿途障礙標(biāo)志物并自動(dòng)傳送圖像參數(shù)的快速、安全、穩(wěn)定的智能探測(cè)小車(chē)。3．控制算法的研究與實(shí)現(xiàn)：結(jié)合紅外傳感器硬件排布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的掃描方法?；?ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述5第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述 ARM 硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)什么是嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）廣義地講，凡是不用于通用目的的可編程計(jì)算機(jī)設(shè)備，就可以算是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是：從產(chǎn)品定義開(kāi)始，接著進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，然后將軟件或操作系統(tǒng)移植到硬件上，并且進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，最后經(jīng)過(guò)測(cè)試與調(diào)試后即開(kāi)始銷(xiāo)售或使用。如今， “ARM嵌入式內(nèi)核” 已經(jīng)被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開(kāi)發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式產(chǎn)品的市場(chǎng)，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一 [6]。增加了異常處理返回；尋址空間擴(kuò)展到 4GB。其中，ARMARM9 、ARM10，Intel 的 StrongARM 系列、Xscale 系列等屬于通用處理器系列，已經(jīng)在很多領(lǐng)域大量應(yīng)用。目前中高端的服務(wù)器普遍使用 RISC 指令集，把重點(diǎn)放在了如何使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理地提高運(yùn)算速度。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能，把應(yīng)用程序分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的模塊，使得程序的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)化許多；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用做到了快速響應(yīng)和可靠處理；使得整個(gè)系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應(yīng)用。(2) WindowsCEWindowsCE 、移動(dòng)式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。(3) Palm OSPalm OS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的 Palm Computing掌上電腦公司的產(chǎn)品。QNX 是一個(gè)實(shí)時(shí)的、可擴(kuò)充的操作系統(tǒng)，它部分遵循POSIX相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于QNX 具有強(qiáng)大的圖形界面功能，因此很適合作為機(jī)頂盒、手持設(shè)備(手掌電腦、手機(jī))、GPS設(shè)備的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用。1998年升級(jí)到181?？梢灾С?jǐn)?shù)十種CPU芯片。選擇 Linux 有以下幾個(gè)原因：(1) 可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。唯一的限基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述9制是開(kāi)發(fā)者必須做出對(duì) Linux 社區(qū)有益的改動(dòng)。(4) 優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)支持，微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持，而不必像其他操作系統(tǒng)要外掛 TCP/IP 協(xié)議包。CLinux 等。需 求 分 析規(guī) 格 說(shuō) 明 書(shū)體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)體 系 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 硬 件 設(shè) 計(jì) 軟 件 設(shè) 計(jì)系 統(tǒng) 集 成系 統(tǒng) 測(cè) 試最 終 產(chǎn) 品圖 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程(1) 系統(tǒng)需求分析 /體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求一般分功能需求和非功能性需求兩方面。軟硬件設(shè)計(jì)往往是并行的，并且嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作大部分都集中在軟件設(shè)計(jì)上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代軟件工程經(jīng)常采用的方法。上位機(jī)監(jiān)控層基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述11由 PC 機(jī)和其上由 C++開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件組成，上位機(jī)通過(guò)其上的無(wú)線網(wǎng)卡，由無(wú)線路由器橋接與智能探測(cè)小車(chē)上的無(wú)線網(wǎng)卡建立連接，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線接口模塊來(lái)傳輸，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)探月過(guò)程中沿路重要信息的監(jiān)控與收集，如沿途被測(cè)對(duì)象的顏色、形狀、距離、溫度以及圖像等信息；策略應(yīng)用層主要包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和控制算法，也是本課題的重點(diǎn)部分。 系統(tǒng)軟硬件組成系統(tǒng)啟動(dòng)呼叫上位機(jī)路況采集路信息過(guò)濾電機(jī)控制圖像識(shí)別圖形特征分析探測(cè)信息分析無(wú)線通信應(yīng) 用 程 序 層A R M L I N U X 操 作 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 程 序 層硬 件 抽 象 層A R M 9 核 （ S 3 C 2 4 4 0 A )存 儲(chǔ) 器S D R A MN o r F l a s hN a n d F l a s h串 口電 機(jī)模 塊S P I紅 外 光 電尋 跡 模 塊I I C探 測(cè) 模 塊圖 系統(tǒng)軟硬件組成智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)軟硬件組成如圖 所示，系統(tǒng)由三部分組成，操作系第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)12統(tǒng)部分、中間部分和硬件部分。驅(qū)動(dòng)程序?qū)邮强梢允褂?jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序?qū)?，可以說(shuō)相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過(guò)這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作。操作系統(tǒng)部分由系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用程序及算法程序等軟件組成。小車(chē)共有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，左右各兩個(gè)，并且同一邊的兩個(gè)電機(jī)是共用一個(gè)PWM 信號(hào)的，所以小車(chē)驅(qū)動(dòng)起來(lái)只需要 2 路 PWM 信號(hào)。第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測(cè)小車(chē)的總體概述 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)14第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 總體設(shè)計(jì)智能探測(cè)小車(chē)的硬件是整個(gè)控制系統(tǒng)能否順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。圖 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 智能探測(cè)小車(chē)核心板設(shè)計(jì)(1) 微處理器的選型基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)15智能探測(cè)小車(chē)的微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，它完成從紅外光電尋跡模塊單元中獲取路徑信息，從攝像頭模塊采集標(biāo)志物和障礙物信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，輸出控制量和上位機(jī)通訊等功能，系統(tǒng)采用嵌入式微處理器來(lái)建立控制平臺(tái)。3) 中斷控制器—— 外部中斷控制器是選擇芯片必須考慮的因素，合理的外部中斷設(shè)計(jì)可以在很大程度上減輕任務(wù)調(diào)度的工作量，同時(shí)還要考慮中斷的觸發(fā)方式。Samsung 的 ARM 芯片是國(guó)內(nèi)目前使用最多的 ARM 芯片，其中最常用的是S3C45S3C44B0、S3C2410 和 S3C2440。在嵌入式控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，最小系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。嵌入式內(nèi)核S 3 C 2 4 4 0 A電源 時(shí)鐘存儲(chǔ)器S D R A MN o r F l a s hN a n d F l a s h復(fù)位電路J T A G 調(diào)試接口圖 最小系統(tǒng)組成S3C2440A 嵌入式控制器—— 對(duì)于任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，處理器都是整個(gè)系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)是靠處理器的指令工作起來(lái)的。時(shí)鐘單元的核心是晶振，它可以提供一個(gè)頻率，處理器使用該頻率的時(shí)候可能還需要倍頻處理。正由于S3C2440A的強(qiáng)大功能，在它上面開(kāi)發(fā)新功能是很有意義的一件事。其實(shí)物圖如圖 所示：第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)18 主控板電路模塊設(shè)計(jì)圖 核心板和主板實(shí)物圖圖 是主板的實(shí)物簡(jiǎn)介圖，主板的功能主要是根據(jù)小車(chē)的功能需求把S3C2440A 核心板的各種有用的接口引出來(lái)，并提供電源和一些輔助接口，具體說(shuō)明如表 所示：表 主板各事項(xiàng)說(shuō)明事項(xiàng) 詳細(xì)說(shuō)明電源開(kāi)關(guān) 根據(jù)絲印層提示，開(kāi)關(guān)撥到右邊開(kāi)啟電源，撥到左邊關(guān)閉電源；復(fù)位按鈕 用于手動(dòng)對(duì) S3C2440A 強(qiáng)制復(fù)位；輔助電源插座用于在主板沒(méi)有與驅(qū)動(dòng)板連接的情況下直接對(duì)主板供電，一般是為了對(duì)主板進(jìn)行獨(dú)立調(diào)試，此時(shí)注意電源應(yīng)該具備持續(xù)提供 1A 的負(fù)載能力；基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)19JP1與驅(qū)動(dòng)板連接到端口其中，RESET 是預(yù)留給 S3C2440A 對(duì)驅(qū)動(dòng)板上 AVR 單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)X_mode擴(kuò)展板接口擴(kuò)展板接口主要用于連接測(cè)溫以及設(shè)計(jì)的傳感器電路板，分別預(yù)留出開(kāi)關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入、I 2C、UART 、SPI 的相關(guān)信號(hào)引腳Sensor紅外傳感器接口第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu) 基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20CON_CAM攝像頭接口JJ9USB 主從口選擇S3C2440A 有兩個(gè) USB 主口 Host0、Host1，其中 Host0 已經(jīng)由 USBHOST1 引出，而 Host1 與 USB 從口(稱(chēng)為 USB Device)的引腳是復(fù)用的，所以需要對(duì) Host1/Device 進(jìn)行選擇，這里用兩個(gè)短路帽把 JJ9左邊兩個(gè)插針同時(shí)連接起來(lái)就是選擇 Host 功能，把 JJ9 右邊兩個(gè)插針同時(shí)連起來(lái)就是選擇 Device 功能。 穩(wěn)壓電源電路模塊設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，穩(wěn)壓電源電路為整個(gè)智能探測(cè)小車(chē)提供電源，主要為控制器和外圍電路提供能源，同時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制速度和方向。電源 1 供給 STM32 和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，標(biāo)配的是 8C 2200mAh 的航模鋰電池；電源 2 供給主板電源，標(biāo)配的是 20C 2200mAh 的航模鋰電池，與電源 1 通過(guò)光耦完全隔離，主板與驅(qū)動(dòng)板的通信都要經(jīng)基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)23過(guò)光耦連接。該款芯片特點(diǎn)是輸出電流大、輸出電壓精度高、穩(wěn)定好。C047uF/5VDN89inOUTG3BLM6SHAWPowerEdRJ圖 電源 1 電路+_p圖 電源 2 電路然后，如圖，再對(duì) 電源經(jīng)過(guò)低壓差、低噪聲線性穩(wěn)壓源 LM111733 和LM111718[17]穩(wěn)壓源芯片穩(wěn)壓，提供給處理器所需要的 電源和內(nèi)核所需的 電壓， 電源電路加了工作指示燈。(1) 使用 CCD 攝像頭采集路面圖像，然后采用圖像處理與分析的方法判斷路徑，是路徑識(shí)別中常用的方法之一。缺點(diǎn)是:圖像處理計(jì)算量大，處理速度慢。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:電路簡(jiǎn)單，信號(hào)處理速度快。尋跡電路模塊的工作原理描述如下：經(jīng)過(guò)對(duì)多種紅外對(duì)管實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試，最后選擇 24 對(duì)紅外收發(fā)對(duì)管 RPR220[18]作為路面探測(cè)傳感器，24 對(duì)紅外傳感器“一” 字排開(kāi)，間距 22mm，作為智能探測(cè)小車(chē)“眼睛”，探測(cè)模塊安裝在車(chē)體的前端。本文選擇了后者，為了增強(qiáng)小車(chē)尋跡的效能，采用 ARM7 內(nèi)核的 STM32[19]處理器芯片進(jìn)行輔助運(yùn)算，引入歸一化算法使得尋跡過(guò)程更為可靠和穩(wěn)定（算法將在具體闡述） 。圖 、圖 分別為紅外傳感器組成的尋跡模塊電路圖和尋跡模塊實(shí)物圖。其優(yōu)越性在于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的簡(jiǎn)單性和計(jì)算機(jī)接口的容易性。圖 AVR 單片機(jī)電路原理圖基于 ARM 的智能探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第三章 智能探測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)29D9IN5819 D11IN5819D4IN5819D5IN5819D6IN5819D7IN5819D10IN5819D8IN5819EN A6 EN B11IN15 IN27IN310 IN412 OUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14ISEN A 1ISEN B 15VS 4VSS9GND8U2L298N+12V2+5V1234567RP110kM11M12M21M22D151N5819 D161N5819D131N5819D171N5819D141N5819D181N5819D201N5819D191N589EN A6 EN B11IN15 IN27IN310 IN412 OUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14ISEN A 1ISEN B 15VS 4VSS9GND8U5L298N+12V2+5V1234567RP210kM31M32M41M42C14104+5VOE19 T/R1A13 B1 17A24 B2 16A35 B3 15A46 B4 14A57 B5 13A68 B6 12A79 B7 11A02 B0 18VCC 20GND10U1SN7