阮文進(jìn)

【摘要】 隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用嵌入式ARM9模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)多功能控制。在三星S3C2440 ARM芯片上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，修改驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的控制。該小車(chē)主要功能模塊有：主控模塊，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，圖像采集處理模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，超聲波測(cè)距模塊，紅外避障模塊，舵機(jī)模塊等組成。

【關(guān)鍵詞】 嵌入式 智能小車(chē) ARM9 S3C2440

一、引言

現(xiàn)代的電子信息不斷發(fā)展，智能移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為熱門(mén)，是現(xiàn)在自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)出一種基于 ARM9的智能小車(chē)控制系統(tǒng)，具有直流電機(jī)控制效率高，有友好的人機(jī)界面簡(jiǎn)化了控制和開(kāi)發(fā)過(guò)程，模塊化設(shè)計(jì)方案便于智能小車(chē)的功能擴(kuò)展和升級(jí)。系統(tǒng)采用無(wú)線控制智能小車(chē)，通過(guò)Android手機(jī)以WiFi通信方式控制小車(chē)模型的行駛方式，小車(chē)還裝監(jiān)控?cái)z像頭，超聲波模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控，自動(dòng)行駛。

二、嵌入式智能小車(chē)整體功能

智能小車(chē)有如下功能：小車(chē)底盤(pán)采用四輪結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)控制小車(chē)行駛，舵機(jī)控制攝像頭旋轉(zhuǎn)方向，紅外避障功能，超聲波測(cè)距功能，圖像采集，壓縮，傳輸功能，攝像頭拍到的視頻進(jìn)行壓縮處理并通過(guò)WiFi模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)上，手機(jī)也可以拍照并把圖片保存到手機(jī)中。

三、嵌入式智能小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、主控模塊?？刂葡到y(tǒng)的主控制器采用三星公司 S3C2440為處理器[3]，主頻為400MHZ，S3C2440采用ARM920T內(nèi)核。主控制器包括核心板和底板，核心板上有S3C2440A、SDRAM存儲(chǔ)電路、Nor Flash、Nand Flash，系統(tǒng)時(shí)鐘，電源等。底板包括一些擴(kuò)展電路模塊如：串口，網(wǎng)口，usb接口等。主控模塊是智能小車(chē)的控制中樞，所有的應(yīng)用程序、智能系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)都是在這個(gè)開(kāi)發(fā)板上開(kāi)發(fā)的。它負(fù)責(zé)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制信號(hào)，超聲波測(cè)距信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)控制，圖像采集，處理與無(wú)線通信信號(hào)等，從而實(shí)現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調(diào)控制。

2、外設(shè)控制模塊。1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，以L298N芯片為主的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)電機(jī)的調(diào)速采用PWM調(diào)速方法配合橋式L298N電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速非常簡(jiǎn)單，范圍大。通過(guò)開(kāi)發(fā)板的GPIO接收輸入信號(hào)，改變芯片控制端的電平，即可對(duì)兩個(gè)左右電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止等操作從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止功能。2）小車(chē)底盤(pán)。本智能小車(chē)為了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，爬波等功能所以采用路虎5的底盤(pán)，配有兩個(gè)WD電動(dòng)機(jī)和兩條履帶。底盤(pán)參數(shù)如下：尺寸：245mm*225mm*74mm（長(zhǎng)*寬*高）；電機(jī)電壓：7.2V；工作電流：160-180 mA；最大速度：30 cm/s；行駛速度：1Km/hr；爬坡能力：> 30°等。3）舵機(jī)。為了攝像頭能自由轉(zhuǎn)動(dòng)以便觀察更多的區(qū)域，本系統(tǒng)采用兩個(gè)舵機(jī)分別是輝盛MG955和輝盛SG90。它是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，具有力矩大和工作速度快可以讓攝像頭的角度不斷變化并能夠保持控制系統(tǒng)。4）電源電路。電源電路是給小車(chē)上的所有元器件和開(kāi)發(fā)板提供電壓的，在驅(qū)動(dòng)電路板上，使用7.4V1000MA 的鋰電池作為電源，芯片 LM2596s 給 GEC2440發(fā)開(kāi)板供電，LM7805 給舵機(jī)和超聲波供電。

3、避障監(jiān)測(cè)模塊。智能小車(chē)超聲波模塊采用 三個(gè) HCSR04超聲波測(cè)距模塊，可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能；模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器與控制電路。超聲波測(cè)距借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法測(cè)距實(shí)現(xiàn)的。采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10ms高電平。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有返回輸出一個(gè)高電平。傳感寄到目標(biāo)物體的距離 D 可以從傳感器發(fā)出到接收經(jīng)歷時(shí)間 T和超聲波空氣的傳播速度C算出來(lái)：D= TC /2。小車(chē)有及時(shí)的辦法躲避障礙物從而保證小車(chē)行駛安全。

4、圖像采集處理模塊。運(yùn)用S3C2440 的GPIO接口編程通過(guò)CMOS攝像頭發(fā)送指令采集圖像，通過(guò)壓縮，裁剪處理以指定的格式下保存到指定的文件夾中，并利用無(wú)線WiFi傳輸?shù)竭h(yuǎn)程縮主機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)S3C2440的GPIO接口控制ov9650攝像頭采集圖像，因?yàn)閿z像頭采集到的是16bit的rgb流，libjpeg庫(kù)提供的壓縮程序?qū)⑵鋲嚎s并保存成jpg文件，可是該庫(kù)只能壓縮24位的，于是先將RGB565轉(zhuǎn)換成RGB24再調(diào)用該庫(kù)的壓縮函數(shù)壓縮成所需的jpeg圖片，最后保存無(wú)線通訊終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

四、智能小車(chē)控制軟件設(shè)計(jì)

4.1 Linux系統(tǒng)移植及文件系統(tǒng)制作

首先搭建Linux嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境；要運(yùn)行在一塊開(kāi)發(fā)板上的 Bootloader 程序能夠運(yùn)行在另一塊開(kāi)發(fā)板上，需要修改 Bootloader 的源程序以適應(yīng)自己的開(kāi)發(fā)板，所以要進(jìn)行Bootloader引導(dǎo)程序的配置和移植，通過(guò)Bootloader 來(lái)初始化硬件如：內(nèi)存，flash，網(wǎng)卡，時(shí)鐘等；內(nèi)核，即操作系統(tǒng)。它為底層的可編程部件提供服務(wù)，為上層應(yīng)用程序提供執(zhí)行環(huán)境。把linux-2.6 內(nèi)核進(jìn)行配置核移植 引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)，初始化環(huán)境，把系統(tǒng)集成的LCD，網(wǎng)卡，串中，F(xiàn)lash集成到鏡像文件zImage 或uImage。最后進(jìn)行文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制作基本系統(tǒng)：bash， init， busybox，基本工具，基本庫(kù)，基本配置文件和自定義或需要移植的相關(guān)文件。

4.2驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

驅(qū)動(dòng)是用來(lái)控制底層硬件工作，并為上層（應(yīng)用程序提供相應(yīng)的接口，可通過(guò)調(diào)用這些接口實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的一系列操作）。主要的驅(qū)動(dòng)程序要設(shè)計(jì)有：1、car_driver.ko 是對(duì)小車(chē)的行走方面進(jìn)行操作的驅(qū)動(dòng)；2、GEC2440_pwm.ko 是對(duì)小車(chē)上的舵機(jī)云臺(tái)進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)；3、Csb.ko 是用來(lái)測(cè)試小車(chē)與障礙物之間距離的超聲波模塊驅(qū)動(dòng)；4、GEC2440_ camera.ko 主要是用來(lái)采集攝像頭的原始圖像數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)；5、rt3070ap.ko rtnet3070ap.ko rtutil3070ap.ko 這三個(gè). ko 文件為無(wú)線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。

4.3應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

下位機(jī)ARM部分先啟動(dòng)，主要是負(fù)責(zé)接收客戶(hù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，根據(jù)命令進(jìn)行一系列的動(dòng)作控制，并可以在不同的用戶(hù)之間進(jìn)行切換。自定義的C主控程序開(kāi)發(fā)部分實(shí)現(xiàn)：接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，行走控制，云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻采集，避障控制，數(shù)據(jù)處理，提供網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)，手動(dòng)控制模式和自動(dòng)避障模式切換，并顯示在UI屏幕上。視頻服務(wù)程序部分通過(guò)移植開(kāi)源源碼包mjpg-streamer來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，把攝像頭的數(shù)據(jù)傳遞到手機(jī)端；上位機(jī)手機(jī)作為客戶(hù)端通過(guò)Android程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制小車(chē)的行進(jìn)方向，獲取視頻數(shù)據(jù)。采用TCP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，服務(wù)器和客戶(hù)端的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)編程部分主要包括阻塞I/O處理，多路復(fù)用，信號(hào)驅(qū)動(dòng)套接字socket等內(nèi)容。

五、智能小車(chē)運(yùn)行檢測(cè)

小車(chē)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，首先配置手機(jī)WiFi的IP地址和網(wǎng)關(guān)，打開(kāi)設(shè)置好的Android軟件進(jìn)入主界面再進(jìn)入小車(chē)控制界面。智能小車(chē)有兩種駕駛模式：手動(dòng)駕駛模式通過(guò)觸摸手機(jī)屏幕上顯示的圖標(biāo)來(lái)控制小車(chē)前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止功能，攝像頭旋轉(zhuǎn)，抓拍圖片和接換到自動(dòng)模式，也可以通過(guò)手機(jī)的重力感應(yīng)來(lái)控制手機(jī)的行駛方向；自動(dòng)駕駛模式通過(guò)超聲波模塊來(lái)測(cè)距并有及時(shí)的策略來(lái)躲避障礙，保證小車(chē)準(zhǔn)確行駛。通過(guò)測(cè)試智能小車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)時(shí)性好，完成任務(wù)準(zhǔn)確。

六、結(jié)論

該智能小車(chē)采用手機(jī)重力感應(yīng)控制使得小車(chē)和人交互帶來(lái)方便，高清度的超聲波模塊保證系統(tǒng)行駛安全。采用功能強(qiáng)大的 ARM嵌入式系統(tǒng)與智能控制，嵌入式對(duì)智能小車(chē)的控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有利于小車(chē)功能的進(jìn)一步升級(jí)和改進(jìn)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。本系統(tǒng)可以作為移動(dòng)機(jī)器人可以應(yīng)用作為智能玩具，競(jìng)賽機(jī)器人，偵探小車(chē)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李磊，葉濤，譚民，等. 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究 現(xiàn)狀與未來(lái)[J].機(jī)器人，2002

[2] 魯濤，原魁，朱海兵. 智能輪椅研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008