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基于arm的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)碩士研究生學(xué)位論文-在線瀏覽

2024-08-02 12:58本頁面
  

【正文】 .......................................................................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。論述了紅外尋跡處理中的 PD 變尺度增量控制算法,圖像處理中的灰度二值化算法以及溫度測試中的環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)葐栴}的解決策略。在 Linux 系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的設(shè)備和接口驅(qū)動(dòng)程序,編寫了控制系統(tǒng)主程序群、圖像采集程序群和溫度測試程序等應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)了基于 ARM 的機(jī)器人小車控制系統(tǒng)的軟件平臺。對核心板、主控板、穩(wěn)壓電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外尋跡、溫度測量、串口通訊、LED 和蜂鳴器以及其他擴(kuò)展接口等硬件電路分別給出了詳盡的設(shè)計(jì)方案。概述了基于 ARM 的智能探測小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。智能探測小車包括視嵌入式核心模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外尋跡模塊、測溫模塊、攝像頭模塊、無線通信模塊等。本文以 ARM9 處理器和 Linux 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建了智能探測小車控制平臺的軟硬件系統(tǒng)。機(jī)器人車應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,包括自動(dòng)駕駛、反恐、核電站維護(hù)、未知區(qū)域探測、無人工程產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)鹊?,機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展必將對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中文摘要碩士研究生學(xué)位論文基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中文摘要隨著國人在嫦娥工程的初步成功和逐步深入,月球探測器的設(shè)計(jì)一直吸引著眾多科學(xué)工作者的關(guān)注。智能探測小車屬于機(jī)器人的范疇,它融合了先進(jìn)的嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子電氣、路徑規(guī)劃、人工智能和自動(dòng)控制等技術(shù)。課題旨在設(shè)計(jì)一款具有良好可擴(kuò)展性,模塊化的教育型智能探測小車控制平臺,使其既能夠滿足大專院校學(xué)生開展機(jī)器人比賽的要求,同時(shí)又能成為嵌入式課程開發(fā)和項(xiàng)目研究的平臺。本文通過分析國內(nèi)外機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗、高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的智能探測小車控制系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下:闡述了智能探測小車的應(yīng)用價(jià)值和研究意義,并詳細(xì)的描述了智能探測小車的體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了基于 ARM 的智能探測小車控制系統(tǒng)的硬件平臺。依據(jù) PCB 設(shè)計(jì)的原則、抗干擾措施,自行設(shè)計(jì)了印刷電路板(PCB)。先將 Linux 操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼、內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植到 S3C2440A 上。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。測試結(jié)果表明,在該控制系統(tǒng)下,智能探測小車具有良好的位置跟蹤和圖像采集處理性能。古往今來,我國對探索月球有著矢志不渝的追求。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(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。更讓人振奮的是“嫦娥二號 ”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”。如圖 所示本次嫦娥二號衛(wèi)星發(fā)射的主要任務(wù)。實(shí)現(xiàn)月球探測將是我國航天深空探測零的突破。月球具有可供人類開發(fā)和利用的各種獨(dú)特資源,月球第一章 緒論 基于 ARM 的智能探測小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2上特有的礦產(chǎn)和能源,是對地球資源的重要補(bǔ)充和儲備,將對人類社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這個(gè)探測器 2022 年就已經(jīng)發(fā)射。如果申報(bào)獲批,該工程預(yù)計(jì)在 2022 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) 。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。 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(jì)劃,并有可能與有關(guān)國家共建月球基地。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)。 2022 年 1 月,兩輛火星車在火星的不同區(qū)域著陸。根據(jù)最初的設(shè)計(jì), “勇氣 ”號和“機(jī)遇”號用來執(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” 號成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能于一身。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。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。而智能探測小車,則可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制,無需人工干預(yù)。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。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)對未來的工業(yè)和社會具有十分重要的意義。 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機(jī)器人的研究更具有挑戰(zhàn)性。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(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,它不僅會思考而且要有效的管理自己軀干的各個(gè)部件。另外智能探測小車是一個(gè)獨(dú)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(jì)與實(shí)現(xiàn)4而增高,嵌入式控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)勢必要滿足簡介、可靠、低功耗等要求。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(fù)雜。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(jī)進(jìn)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(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。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠自動(dòng)識別路徑,自動(dòng)控制穩(wěn)定性,自動(dòng)拍攝識別沿途障礙標(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。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。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。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(jìn)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?;?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)。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。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??梢钥闯龃硕x從應(yīng)用上考慮,嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。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]。(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(jì)與實(shí)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。增加了異常處理返回;尋址空間擴(kuò)展到 4GB。(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;增加了一些信號處理指令。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。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)會越來越復(fù)雜,但在這些指令中,只有約 20%的指令會被反復(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。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)更加簡單合理地提高運(yùn)算速度?;?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7 ARM 操作系統(tǒng) 常見的 ARM 操作系統(tǒng)在嵌入式應(yīng)用中嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)大量存在,尤其在功能復(fù)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(jì)算機(jī)是沒有用的,這點(diǎn)在普通的臺式電腦上大家都有深刻體會。目前有多種嵌入式操作系統(tǒng),它們使得開發(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)變得簡化許多;對于實(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。Vxworks所具有的顯著特點(diǎn)是:可靠性、實(shí)時(shí)性和可裁減性,而且它支持多種處理器,如x8i960 、SunSparc 、 Motorola MC68xxx、MIPS、POWER PC等等。(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)。由于其Windows 背景,界面比較統(tǒng)一認(rèn)可。(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。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)8(4) QNXQNX是加拿大QNX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。 C/OSMicro Controller operating system,微控制器操作系統(tǒng),它是由美國人JeanLabrosse 1992年完成的。1998年升級到181。(6) 嵌入式LinuxLinux的核心是由 Linus Torvalds在1991年開發(fā)出來,并放到網(wǎng)絡(luò)上供大家下載學(xué)習(xí)使用。可以支持?jǐn)?shù)十種CPU芯片。 選擇 Linux 操作系統(tǒng)的原因以上常見的嵌入式操作系統(tǒng),雖然提供了很多高級的功能,如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持,但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品,其高昂的價(jià)格使許多低端產(chǎn)品的小公司望而卻步;而且源碼封閉性也大大限制了開發(fā)者的積極性。選擇 Linux 有以下幾個(gè)原因:(1) 可應(yīng)用于多種硬件平臺??梢栽跇?biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)然后移植到具體的硬件上,加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。唯一的限基于 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9制是開發(fā)者必須做出對 Linux 社區(qū)有益的改動(dòng)。毫無疑問,這會節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)用。(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。(6) Linux 在臺式機(jī)上的成功,也保證了 Linux 在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景。CLinux 等。 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如圖 所示,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由 5 個(gè)階段構(gòu)成:需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件/軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試 [13]。需 求 分 析規(guī) 格 說 明 書體 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 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。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求,包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。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。對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測試,看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。上位機(jī)監(jiān)控層基于 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11由 PC 機(jī)和其上由 C++開發(fā)的應(yīng)用軟件組成,上位機(jī)通過其上的無線網(wǎng)卡,由無線路由器橋接與智能探測小車上的無線網(wǎng)卡建立連接,數(shù)據(jù)通過無線接口模塊來傳輸,上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)探月過程中沿路重要信息的監(jiān)控與收集,如沿途被測對象的顏色、形狀、距離、溫度以及圖像等信息;策略應(yīng)用
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