基于arm的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn)碩士學(xué)位論文-全文預(yù)覽

　　

【正文】 (2) 硬件 /軟件設(shè)計 基于體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設(shè)計。 基于 ARM 的 智能探測小車 智能探測小車 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 上 位 機 監(jiān) 控 層小 車 控 制 層 （ A R M 9 核 ）策 略 應(yīng) 用 層 （ L i n u x ）信 號 處 理各 類 傳 感 器執(zhí) 行 器小 車 機 械 層月 球 表 面 環(huán) 境無 線 通 信 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖 圖 為基于 ARM 的 智能探測小車 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖，系統(tǒng)主要由 5 層組成 ：上位機監(jiān)控層，策略應(yīng)用層，控制器層，傳感和執(zhí)行層以及 機械層。機械層是被控制對象，是最底層的部件 。 中間部分 由驅(qū)動 程序?qū)雍陀布橄髮咏M成。 從軟硬件測試的角度來看，軟硬件的測試工作都可分別基于硬件抽象層來完成，使得軟硬件測試工作的并行進行成為可能。 智能探測小車 的 整體介紹 如圖 所示小車共有 6 塊電路板，分別是核心板、主控板、電機驅(qū)動板、紅外尋跡板、攝像頭和探測板組成。最后介紹了 智能探測小車 的整體結(jié)構(gòu) 。 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 如圖 所示。 2) GPIO 的數(shù)量 —— 在芯片說明書中標出的是最多的 I/O 口的數(shù)量，其中 有些是地址、數(shù)據(jù)、 I/O 復(fù)用的接口，因此選擇芯片時一定要考慮其實際可用的 I/O 接口數(shù)量。 5) UART 數(shù)量 —— 幾乎所有的 32 位芯片都支持 1 個或 2 個串口，用于同 PC 機通信調(diào)試。 (2) ARM 最小系統(tǒng)設(shè)計 最小系統(tǒng)是處理器能夠運行的基本系統(tǒng)。本文設(shè)計的 智能探測小車 嵌入式控制系統(tǒng)的最 小系統(tǒng)組成如圖 所示。 時鐘 —— 處理器的運行 需要時鐘周期，一般來說處理器在一個或者幾個周期內(nèi)基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 17 執(zhí)行一條指令。 JTAG 調(diào)試接口 —— 在高級的嵌入式處理器里內(nèi)置 JTAG 接口，即聯(lián)合測試行動小組接口將主機中的程序載入到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中，并對處理器電路進行邊界掃描和故障檢測。更好的發(fā)揮 S3C2440A芯片的潛能。在 NOR FLASH 中正常啟動則 LED3 常亮， LED1 閃爍， LED LED4 常滅；在 NAND FLASH 中正常啟動則一開始 LED LED3 常亮， LED LED4 常滅，啟動完成后 4 個 LED 以類似走馬燈的方式點亮 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 20 J1 上面的信號引腳并不 是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳： RESET：給 AVR 單片機的復(fù)位信號； OM0：模式控制信號， 0 為從 NAND FLASH 啟動， 1 為從 NOR FLASH啟動； 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與 實現(xiàn) 第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 21 J2 上面的信號引腳并不是都用到，下面僅列出較重要的信號引腳： RST_KEY： S3C2440A 的復(fù)位信號，低電平復(fù)位； BEEP：蜂鳴器控制引腳 。 系統(tǒng)使用了電源 1 和電源 2 兩路鋰電池進行供電。 首先 ，如圖 、 中 將 兩組 12V 電池電壓分別通過芯片 LM2576S5[16]將電壓穩(wěn)定在 ，分別為電機和主板驅(qū)動板提供 電源 。 SW1 是系統(tǒng)電源開關(guān) 1，用于給驅(qū)動板和電機供電； SW2 是系統(tǒng)電源開關(guān) 2，用于給主板供電。要使機器人小車能夠識別出白底路面上的黑色軌跡或者是更為復(fù)雜的黑白 組合，常用的方案有兩種，一種是采用 CCD 攝像頭尋黑色軌跡，另一種是采用反射式紅外光電管尋黑色軌跡。根據(jù)攝像頭拍攝到的畫面，通過邊緣檢測等算法判斷出許多關(guān)鍵信息，如中心位置，方向，曲率等等 。這種方法利用了路面不同第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 24 的材料和顏色對光線的吸收和反射量不同，檢測反射回來的光線就可以得到當前位置的材料或者顏色。根據(jù)兩種方案的優(yōu)缺點，權(quán)衡穩(wěn)定性、精度和速度后，最終選 擇采用反射式紅外光電管。缺 點是 :感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度低。如果要獲得較遠的視野，將會在小車最近的前方產(chǎn)生一個盲區(qū)，在急轉(zhuǎn)彎處黑線容易丟失。這種方法的優(yōu)點是 :能夠感知前方較遠距離處的道路狀況 ； 受外界干擾小。電路如圖 、 所示。為了降低噪聲和出錯 機率 ，在設(shè)計 PCB 時設(shè)計了合理的走線以及大面積敷銅處理。 對航模鋰第三章 智能探測小車 控制系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu) 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 22 電池進行放電試驗， 在 3A 大電流放電的情況下得到的曲線，可以看出隨著電量的釋放，電壓也在不斷地減低，范圍為 —— 。 S3C2440A的 供電電壓為 ，內(nèi)核 。 模式選擇開關(guān) 開關(guān)撥到左邊則選擇從 NOR FLASH 啟動，撥到右邊則選擇從 NAND FLASH 啟動 JTAG 手動啟動按鈕 預(yù)留出來的方便小車在沒有無線網(wǎng)控制下直接通過人工手動啟動小車完成所需要的功能。 為了更好的使用 S3C2440A，將最小系統(tǒng)的核心部件封裝為一塊尺寸較小、通用性較強的部件，稱之為核心板。 電源和復(fù)位 —— 電源是為處理器提供能源的部件，一般使用直流電源。 存儲器 —— 一個嵌入式系統(tǒng)的運行，其指令必須放入一定的存儲器空間內(nèi)，運行的時候也需要空間存儲臨時數(shù)據(jù)，一般的內(nèi)存包括可以固化代碼的 FLASH 和可以隨機讀寫的 RAM。因此構(gòu)建一個嵌入式控制系統(tǒng)，第一步，必須是要讓系統(tǒng)核心部分 —— 嵌入式處理器，可以運行起來，這樣才可以逐步增加系統(tǒng)的功能，如外圍擴展、軟件及程序設(shè)計、操作系統(tǒng)移植、增加各種接口等，最終形成符合需求的完整系統(tǒng)。考慮到要求控制系統(tǒng)具有高性能的原因，另外結(jié)合實驗室的設(shè)備情況，決定選擇以 Samsung 公司 32 位處理器芯片 —— S3C2440A(ARM9 內(nèi)核 )為控制器， S3C2440A 主頻高達 533MHz，并提供豐富的輸入輸出端口、時鐘源、 PWM、外部中斷接口。 4) 外部擴展總線 —— 大部分的 32 位芯片支持外部擴展 SDRAM，但是提供的片選信號的數(shù)量不同，即支持的外部擴展芯片的數(shù)量不同。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求的多樣性，市場上基于 RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器 供應(yīng) 商也日漸增多，為了保證系統(tǒng)的實用性和易擴展性， 同時系統(tǒng)需要植入高性能的操作系統(tǒng)，以完成復(fù)雜的多任務(wù)協(xié)同運行， 此控制系統(tǒng)需要選用高性能的微控制器，考慮到系統(tǒng)升級以及高檔微控制器的價格不斷下降等因素，因此設(shè)計時選用 32 位微控制器作為整個系統(tǒng)的核心。硬件以 ARM9 核控制芯片 S3C2440A 為控制器，用紅外 光電傳感器識別路徑，使用驅(qū)動電路、編碼器和直流 電機 進行轉(zhuǎn)向控制和速度控制。 主板供電為 +5V 直流電源，通過跟驅(qū)動板的連接端口獲取電源，也可以在主板的輔助電源插座上接上 +5V 的直流電源，主板上配有一個紐扣電池為 2440 的實時時鐘供電；驅(qū)動板上有兩組電源，分別以 +12V 直流電源供電；核心板為 直流電源，取自主板。 在 智能探測小車 的核心板上移植 ARMLinux 操作系統(tǒng)，根據(jù)小車的功能編寫應(yīng)用程序。 硬件抽象層是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件電路之間的接口層，其目的在于將硬件抽象化。 硬件部分由 ARM9 處理器 S3C2440A， 存儲器 ， 紅外 光電尋跡模塊 、 電機模塊 、 任務(wù)探測模塊 等電路組成。小車控制器層主要由 ARM9 內(nèi)核控制器及其外圍電路組成，是課題設(shè)計實現(xiàn)最為關(guān)鍵的層次。 (3) 系統(tǒng)集成 /測試 把系統(tǒng)的軟件、硬 件和執(zhí)行裝置集成在一起，進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設(shè)計過程中的錯誤。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。本設(shè)計中選擇 ARMLinux 作為操作系統(tǒng) [11][12] 。 (5) Linux 高度模塊化使添加部件非常容易。 (3) 它是免費的，源代碼可以得到，這是最吸引人的。 Linux 己經(jīng)被移植到多種硬件平臺，這對受開銷、時間限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。嵌入式 Linux就是指對 Linux經(jīng)過小型化裁減后，能夠固化 在容量只有幾百 K字節(jié)或幾兆字節(jié)的儲存器芯片中，用于特定嵌入式場合的專用 Linux操作系統(tǒng) [8][9][10] 。 C/OSII， 20xx年，得到美國航空管理局 （ FAA） 的認證，可以用于飛行器上。 (5) 181。 Palm OS在 PDA市場上占有很大的市場份額，目前主要與 WIN CE進行激烈競爭。針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(tài)應(yīng)用程序和 服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺， WindowsCE嵌入式不夠?qū)崟r，屬于軟實時操作系統(tǒng)。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1) Vxworks Vxworks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。 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 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(fù)雜指令 集計算機）在一些地方有著很大的區(qū)別。 (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130MIPS；完善了軟件中斷 SWI 指令。 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。 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）。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)。 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 。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)。嵌入 真正開放、資源豐富、擴展 性強、能實時多任務(wù)管理的 Linux 操作系統(tǒng)成為首選辦法。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 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?wù)的自動完成將給人類社會的進步帶來巨大 的影響 [25]。 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。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。 “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。 20xx 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(wù)。 “回 ”的技術(shù)水平更高、更復(fù)雜，預(yù)計在 2017 年左右進行。 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。月球已成為未來航天大國爭奪戰(zhàn)略資源的焦點。這代表著， “嫦娥二號 ”任務(wù)已基本取得成功。 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 ”的奔月成功，國人的夢正一步一步地走向?qū)崿F(xiàn)。論述了紅外尋跡處理中中文摘要 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) II 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)境溫度補償?shù)葐栴}的解決策略。 設(shè)計了基于 ARM 的機器人小車控制系統(tǒng)的軟件平臺。概述了基于 ARM 的 智能探測小車 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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)。 I 碩士 專業(yè) 學(xué)位論文 論文題目 基于 ARM的智能探測小車的設(shè)計與實現(xiàn) 研究生姓名 指導(dǎo)教師姓名 專業(yè)名稱 研究方向 論文提交日期 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 中文摘要 I 基于 ARM 的 智能探測小車 的設(shè)計與實現(xiàn) 中文摘要 隨著國人在嫦娥工程的初步成功和逐步深入，