【文章內(nèi)容簡介】 ..................... 66 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 68 攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .......................................................................... 70 致 謝 .................................................................................................................................. 71 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計(jì)與 實(shí)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(gè)美麗的 故事。古往今來，我國對(duì)探索月球有著矢志不渝的追求。 20xx 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(hào) ”的奔月成功，國人的夢(mèng)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(hào) ”衛(wèi)星從 “月亮城 ”西昌騰空而起，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。美國媒體在嫦娥二號(hào)發(fā)射當(dāng)天即用大量文字和圖片報(bào)道中國月球探索歷程；新加坡《聯(lián)合早報(bào)》將中國的嫦娥二號(hào)和西方發(fā)射的探月衛(wèi)星進(jìn)行了比較，認(rèn)為嫦娥二號(hào)只用 112 小時(shí)便能進(jìn)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(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 ”。這代表著， “嫦娥二號(hào) ”任務(wù)已基本取得成功。如圖 所 示本次嫦娥二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射的主要任務(wù)。 圖 嫦娥二號(hào)探月任務(wù) “嫦娥二號(hào) ”的成功發(fā)射標(biāo)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(shí)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(diǎn)。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨(dú)特資源，月球上 特第一章 緒論 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 有的礦產(chǎn)和能源，是對(duì)地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備，將對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 選題依據(jù)及研究意義 “嫦娥工程 ”是分階段實(shí)施的 “三步走 ” ， 三階段都采用無人自動(dòng)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(gè)月球探測器，圍繞月球軌道靠近月面進(jìn)行探測，包括對(duì)月球影像的拍攝，對(duì)近月表面情況（成分、月壤厚度等）的探測，以及對(duì)月地之間環(huán)境的探測等。這個(gè)探測器 20xx 年就已經(jīng) 發(fā)射。 第二期工程叫 “落 ” 即發(fā)射一個(gè)月球 探測器，著陸在月球表面上，再從這個(gè)月球著陸探測器上釋放出一個(gè)探 月 車，在月球表面上行走探測。如果申報(bào)獲批，該工程預(yù)計(jì)在 20xx 年前后進(jìn)行（本文所研究設(shè)計(jì)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(gè)月球著陸器著陸在月球表面，但這個(gè)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(gè)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(fù)雜，預(yù)計(jì)在 2017 年左右進(jìn)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(mèng)想的載人登月計(jì)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(yù)想，我國將在 20xx 年——2033 年間實(shí)現(xiàn)無人火星探測， 2040 年 ——2060 年實(shí)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(yàn)。 20xx 年，美國宇航局發(fā)射 “勇氣 ”號(hào)和 “機(jī)遇 ”號(hào)火星車執(zhí)行火星探索任務(wù)。 20xx 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(shí)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(jì)， “勇氣 ”號(hào)和 “機(jī)遇 ”號(hào)用來執(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。 “勇氣 ”號(hào)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(jī)及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計(jì)。 “勇氣 ”號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身?；鹦擒嚹軌蛟诨鹦巧献灾餍旭偅寒?dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標(biāo)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 3 目標(biāo)行駛，在檢測到前進(jìn)方向上的障礙后，火星車會(huì)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(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。目前各國關(guān)于機(jī)器人的定義都各不相同，在美國標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編 程的裝置才認(rèn)為是機(jī)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(jìn)退，比較先進(jìn)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(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。操作員可以通過修改小車的計(jì)算機(jī)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(dòng)導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)在一定道路條件下的自動(dòng)行駛，這是車輛的另一個(gè)基本特征。自尋跡 的 智能探測小車 ，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī) 、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工及自動(dòng)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(jī)器人小車的研究和開發(fā)對(duì)未來的工業(yè)和社會(huì)具有十分重要的意義。另外， 智能探測小車 的自動(dòng)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?wù)的自動(dòng)完成將給人類社會(huì)的進(jìn)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(xué)工作 ，嵌入式行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及先進(jìn)控制 的理論成果使得對(duì)機(jī)器人的研究更具有挑戰(zhàn)性 。作者在從事嵌入式機(jī)器人的研究期 間， 曾帶領(lǐng)學(xué)生 參加過 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)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(duì) 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(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即機(jī)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(huì)思考而且要有效的管理自己軀干的各個(gè)部件。而要進(jìn)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(dāng)機(jī)器人小車更 “智能 ”的條件。 另外 智能探測小車 是一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，對(duì)硬件的要求隨著系統(tǒng)功能的增加而增高，嵌入式控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)勢(shì)必要滿足簡介、可靠、低功耗等要求。目 前基于第一章 緒論 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 單片機(jī)的控制系統(tǒng)外圍電路、可靠性、可擴(kuò)展性普遍較差，如何設(shè)計(jì)一套電路簡單、性能可靠、功能齊全的嵌入式機(jī)器人小車硬件控制系統(tǒng)是另一個(gè)難題。由于 智能探測小車 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。嵌入 真正開放、資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、能實(shí)時(shí)多任務(wù)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(shí)別路徑，使用直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制和速度控制，使用 CMOS 攝像頭來拍攝識(shí)別對(duì)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(yīng)用程序，使用上位機(jī)軟 件來控制小車啟停并接收反饋信號(hào)。 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(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 智能探測小車 。為達(dá)到上述目的，本課題主要對(duì)以下方面進(jìn)行了工作 : 1． 結(jié)合當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r、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(jì)出了基于 ARM920T 的最小系統(tǒng)。在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dòng) 并在 Linux操作系統(tǒng)的平臺(tái)基礎(chǔ)上 編寫調(diào)試 智能探測小車 的應(yīng)用程序。 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。 對(duì)于紅外尋跡 本文實(shí)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(duì)拍攝圖像進(jìn)行二值化，并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果分析后得到顏色和圖像形狀 。 4． 通過對(duì) 智能探測小車 做的大量實(shí)驗(yàn)的前提下，本文給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)比較和分析，并對(duì)機(jī)器人小車的研究做了展望。 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計(jì)與 實(shí)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(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)。舉例來說，個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）不是一種嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樗怯糜谕ㄓ媚康牡南到y(tǒng)。而一些電話系統(tǒng)就是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最典型的嵌入式系統(tǒng)如手機(jī)、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(jī)、打印機(jī)等。狹義上而言，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為核心，計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，對(duì)功能、可靠 性、成本、體積和功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程是：從產(chǎn)品定義開始，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(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是 “用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)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）?？梢钥闯龃?定義從應(yīng)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(xué)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(jì) 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（ ARM ARM3）：增加乘法指令；增加支持協(xié)處理器的操作；增加第二章 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(jì)與實(shí) 現(xiàn) 6 快速中斷模式；增加 SWP/SWPB 的存儲(chǔ)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(kuò)展到 4GB。 (4) V4 構(gòu)架（ ARM ARM9）：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(dá)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(jì)數(shù)前導(dǎo)零 CLZ指令； BRK 中斷指令；增加了一些信號(hào)處理指令。 (6) V6 構(gòu)架（ ARM11）：增加了 SIMD 功能，為多媒體處理的應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能。 其中， ARM ARM 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。 ARM 是基于 RISC（ Reduced Instruction Set Computer 精簡指令集計(jì)算機(jī)） [7]而設(shè)計(jì)的，它與 CISC（ Complex Instruction Set Computer 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）在一些地方有著很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的 CISC 計(jì)算機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷地引入新的復(fù)雜指令集，為了支持這些新增的指令，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)雜，但在這些指令中，只有約 20%的指令會(huì)被反復(fù)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(fèi)，顯得設(shè)計(jì)不合理，而 RISC 則可以避免這些問題。 RISC 指令系統(tǒng)相對(duì)簡單，能夠滿足大部分的功能需求，只要求