【文章內(nèi)容簡介】 能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 第一章 緒論1第一章 緒論 引言嫦娥奔月是幾千年前中國人給月亮編織的一個美麗的故事。古往今來，我國對探索月球有著矢志不渝的追求。2022 年，中國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”，直到“嫦娥一號”的奔月成功，國人的夢正一步一步地走向?qū)崿F(xiàn)。今年的國慶，中國讓世界再次矚目——這一天， “嫦娥二號” 衛(wèi)星從“月亮城”西昌騰空而起，準確進入預定軌道。美國媒體在嫦娥二號發(fā)射當天即用大量文字和圖片報道中國月球探索歷程；新加坡《聯(lián)合早報》將中國的嫦娥二號和西方發(fā)射的探月衛(wèi)星進行了比較，認為嫦娥二號只用 112 小時便能進入月球軌道，比歐洲和日本探月衛(wèi)星的速度都要快。更讓人振奮的是“嫦娥二號 ”在飛行 180 余小時后，在 10 月 9日上午 11 時 32 分正式進入軌道高度為 100 公里、周期為 118 分鐘的圓形環(huán)月“使命軌道”。這代表著， “嫦娥二號 ”任務已基本取得成功。如圖 所示本次嫦娥二號衛(wèi)星發(fā)射的主要任務。 嫦娥二號探月任務“嫦娥二號”的成功發(fā)射標志著開展月球探測工作是我國邁出航天深空探測第一步的重大舉措。實現(xiàn)月球探測將是我國航天深空探測零的突破。月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨特資源，月球第一章 緒論 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)2上特有的礦產(chǎn)和能源，是對地球資源的重要補充和儲備，將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。 選題依據(jù)及研究意義 “嫦娥工程”是分階段實施的 “三步走” ，三階段都采用無人自動探測，可用 “繞、落、回”來簡單概括： 第一期工程叫“ 繞” 即發(fā)射一個月球探測器，圍繞月球軌道靠近月面進行探測，包括對月球影像的拍攝，對近月表面情況（成分、月壤厚度等）的探測，以及對月地之間環(huán)境的探測等。這個探測器 2022 年就已經(jīng)發(fā)射。 第二期工程叫“ 落” 即發(fā)射一個月球探測器，著陸在月球表面上，再從這個月球著陸探測器上釋放出一個探月車，在月球表面上行走探測。如果申報獲批，該工程預計在 2022 年前后進行（本文所研究設(shè)計的智能探測小車即為了模擬第二期工程中降落在月球表面的探測器） 。第三期工程叫“ 回” 即發(fā)射一個月球著陸器著陸在月球表面，但這個著陸器與上一期“落”階段的月球著陸器不一樣，它還帶有返回的功能。這個月球著陸器落在月球表面就位探測后，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。 “回 ”的技術(shù)水平更高、更復雜，預計在 2022 年左右進行。 等到這“三步走 ” 走下來，我國接著就將開始中華民族千年夢想的載人登月計劃，并有可能與有關(guān)國家共建月球基地。甚至還有航天專家預想，我國將在 2022 年——2033 年間實現(xiàn)無人火星探測，2040 年——2060 年實現(xiàn)載人火星探測 [1]。在航天深空探索上，美國人有著全世界最好的技術(shù)和經(jīng)驗。2022 年，美國宇航局發(fā)射“勇氣 ”號和“機遇”號火星車執(zhí)行火星探索任務。 2022 年 1 月，兩輛火星車在火星的不同區(qū)域著陸。迄今為止，它們已在火星表面跋涉了 5 年多時間，以尋找這顆星球過去是否有水的線索。根據(jù)最初的設(shè)計， “勇氣 ”號和“機遇”號用來執(zhí)行為期 90天的火星探索任務，但這兩個機器人最終上演了超齡服役的壯舉。 “勇氣” 號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。 “勇氣” 號成功實現(xiàn)了集通信、拍攝和計算等功能于一身。火星車能夠在火星上自主行駛：當火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標，它會驅(qū)動六基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 第一章 緒論3個輪子向目標行駛，在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑。本文所述的智能探測小車，是類似火星車，以輪子作為移動機構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的一種機器人，它具有機器人的基本特征——易于再編程。目前各國關(guān)于機器人的定義都各不相同，在美國標準中，只有易于再編程的裝置才認為是機器人。智能探測小車不同遙控小車，后者需要操作員來控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制其速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車。而智能探測小車，則可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改小車的計算機程序來改變它的行駛方式。這種智能探測小車的另一基本特征是，依靠自動導航軟件實現(xiàn)在一定道路條件下的自動行駛，這是車輛的另一個基本特征。自尋跡的智能探測小車，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能探測小車最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，因此這類機器人小車的研究和開發(fā)對未來的工業(yè)和社會具有十分重要的意義。另外，智能探測小車的自動控制、傳感、通信等的研究將有助于車輛的研究，車輛駕駛?cè)蝿盏淖詣油瓿蓪⒔o人類社會的進步帶來巨大的影響 [25]。 本課題的主要目的與工作作者在研究生期間一直從事嵌入式專業(yè)的研究和教學工作，嵌入式行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及先進控制的理論成果使得對機器人的研究更具有挑戰(zhàn)性。作者在從事嵌入式機器人的研究期間，曾帶領(lǐng)學生參加過 IEEE 標準電腦鼠走迷宮、全國高職高專技能大賽——嵌入式產(chǎn)品開發(fā)等比賽。在對智能探測小車的研究中面臨的最大難題在于小車本身是一個獨立的系統(tǒng)，即機器人小車的“ 智能” 在于它有自己的大腦，有自己的軀干，它不僅會思考而且要有效的管理自己軀干的各個部件。而要進行思考和管理就必須要有可靠的控制算法，但是常規(guī)的單一控制算法都不具備充當機器人小車更“智能” 的條件。另外智能探測小車是一個獨立的控制系統(tǒng)，對硬件的要求隨著系統(tǒng)功能的增加第一章 緒論 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)4而增高，嵌入式控制系統(tǒng)電路的設(shè)計勢必要滿足簡介、可靠、低功耗等要求。目前基于單片機的控制系統(tǒng)外圍電路、可靠性、可擴展性普遍較差，如何設(shè)計一套電路簡單、性能可靠、功能齊全的嵌入式機器人小車硬件控制系統(tǒng)是另一個難題。由于智能探測小車對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雜。嵌入真正開放、資源豐富、擴展性強、能實時多任務管理的 Linux 操作系統(tǒng)成為首選辦法。本文以 ARM920T 核控制芯片為控制器，用紅外傳感器識別路徑，使用直流電機進行轉(zhuǎn)向控制和速度控制，使用 CMOS 攝像頭來拍攝識別對象，使用無線網(wǎng)卡來傳輸數(shù)據(jù)，使用協(xié) Linux 操作系統(tǒng)來管理應用程序，使用上位機軟件來控制小車啟停并接收反饋信號。研究紅外尋跡的 PD 變尺度增量控制算法和圖像處理的灰度二值化算法。最終實現(xiàn)一個能夠自動識別路徑，自動控制穩(wěn)定性，自動拍攝識別沿途障礙標志物并自動傳送圖像參數(shù)的快速、安全、穩(wěn)定的智能探測小車。為達到上述目的，本課題主要對以下方面進行了工作:1．結(jié)合當前機器人發(fā)展狀況、體系結(jié)構(gòu)以及面臨的主要技術(shù)問題，闡述了基于ARM 嵌入式智能探測小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了基于 ARM920T 的最小系統(tǒng)。在大量的實驗基礎(chǔ)上設(shè)計了智能探測小車溫度探測模塊，電源模塊，通信模塊，控制和執(zhí)行模塊等硬件電路。2．移植 Linux、內(nèi)核、系統(tǒng)文件，編寫智能探測小車底層物理驅(qū)動并在 Linux操作系統(tǒng)的平臺基礎(chǔ)上編寫調(diào)試智能探測小車的應用程序。3．控制算法的研究與實現(xiàn)：結(jié)合紅外傳感器硬件排布的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計了自適應的掃描方法。對于紅外尋跡本文實現(xiàn) PD 變尺度增量控制算法并分析了的其優(yōu)劣。結(jié)合 CMOS 攝像模塊的性能，采用了二值化算法對拍攝圖像進行二值化，并對數(shù)據(jù)結(jié)果分析后得到顏色和圖像形狀。4．通過對智能探測小車做的大量實驗的前提下，本文給出了實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)比較和分析，并對機器人小車的研究做了展望?；?ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述5第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述 ARM 硬件開發(fā)平臺什么是嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）廣義地講，凡是不用于通用目的的可編程計算機設(shè)備，就可以算是嵌入式計算機系統(tǒng)。舉例來說，個人計算機（PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因為它是用于通用目的的系統(tǒng)。而一些電話系統(tǒng)就是采用個人計算機技術(shù)建立的嵌入式計算機系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機、可視電話等；另外還有一些嵌入式系統(tǒng)采用特殊的微處理器，如傳真機、打印機等。狹義上而言，嵌入式系統(tǒng)是指以應用為核心，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，對功能、可靠性、成本、體積和功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。一般的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計過程是：從產(chǎn)品定義開始，接著進行硬件設(shè)計，然后將軟件或操作系統(tǒng)移植到硬件上，并且進行應用程序的開發(fā)，最后經(jīng)過測試與調(diào)試后即開始銷售或使用。根據(jù) IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“ 用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為 devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants） 。可以看出此定義從應用上考慮，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。ARM 技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的一種，是全球微處理器行業(yè)中一家知名的企業(yè)，該公司于 1990 年在劍橋大學成立，它是由蘋果電腦、Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 聯(lián)合成立的一家設(shè)計 32 位嵌入式 RISC 芯片內(nèi)核的公司。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 的開發(fā)技術(shù)也席卷了全球嵌入式產(chǎn)品的市場，并成為嵌入式系統(tǒng)的主流技術(shù)之一 [6]。 ARM 處理器的體系和結(jié)構(gòu)ARM 構(gòu)架誕生至今已經(jīng)有過多次變革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的架構(gòu)有：(1) V1 構(gòu)架（ARM1 ）：具有基本的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法） ；字節(jié)、半字節(jié)、字的 Load/Store 指令；轉(zhuǎn)移指令；軟件中斷指令；64MB 的尋址空間。(2) V2 構(gòu)架（ARMARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)6加快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲器和寄存器交換指令。(3) V3 構(gòu)架（ARM6 ）：增加 MRS/MSR 指令，可以訪問新增加的 CPSR/SPSR寄存器。增加了異常處理返回；尋址空間擴展到 4GB。(4) V4 構(gòu)架（ARMARM9）：低功耗的 32 位 RISC 處理器，包括 32 位地址線和數(shù)據(jù)線，具有 ICE 邏輯，調(diào)試開發(fā)方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主頻高達 130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。(5) V5 構(gòu)架（ ARM10）：具有帶鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 BLX 指令；計數(shù)前導零 CLZ指令；BRK 中斷指令；增加了一些信號處理指令。(6) V6 構(gòu)架（ARM11）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。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)域大量應用。ARM 是基于 RISC（Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計算機） [7]而設(shè)計的，它與 CISC（Complex Instruction Set Computer 復雜指令集計算機）在一些地方有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的 CISC 計算機隨著計算機技術(shù)的發(fā)展不斷地引入新的復雜指令集，為了支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會被反復調(diào)用，占程序代碼的 80%；余下的 80%指令不經(jīng)常使用，在程序代碼中占 20%，這就造成了浪費，顯得設(shè)計不合理，而 RISC則可以避免這些問題。RISC 指令系統(tǒng)相對簡單，能夠滿足大部分的功能需求，只要求硬件執(zhí)行有限的最常用的那部分指令，大部分復雜的操作使用成熟的編譯技術(shù)由簡單指令合成，這使得計算機的執(zhí)行效率得到提高。目前中高端的服務器普遍使用 RISC 指令集，把重點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度。CISC 和 RISC 架構(gòu)各有其側(cè)重點，現(xiàn)在出現(xiàn)了超長指令集計算機，融合了兩只指令集的優(yōu)勢，成為未來 CPU 發(fā)展的趨勢之一?；?ARM 的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 第二章 嵌入式系統(tǒng)與智能探測小車的總體概述7 ARM 操作系統(tǒng) 常見的 ARM 操作系統(tǒng)在嵌入式應用中嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)大量存在，尤其在功能復雜、系統(tǒng)龐大、要求較高的方案中顯得越來越重要，可以說沒有操作系統(tǒng)的計算機是沒有用的，這點在普通的臺式電腦上大家都有深刻體會。操作系統(tǒng)管理整個硬件系統(tǒng)的運行，負責各種資源的調(diào)配，充分發(fā)揮了32位CPU的多任務能力，是整個嵌入式系統(tǒng)的靈魂。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng)，它們使得開發(fā)實時應用程序的設(shè)計和擴展變得容易，不需要大的改動就可以增加新的功能，把應用程序分割為若干獨立運行的模塊，使得程序的設(shè)計變得簡化許多；對于實時性要求高的應用做到了快速響應和可靠處理；使得整個系統(tǒng)的資源得到很好的管理和應用。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) VxworksVxworks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。Vxworks所具有的顯著特點是:可靠性、實時性