基于ARM嵌入式的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計研究

呂純

摘 要：人們無法進(jìn)入惡劣環(huán)境長期工作，而智能小車的出現(xiàn)解決了這個難題。智能小車集多種自動化技術(shù)于一體，具有很好的可擴(kuò)展性，實現(xiàn)了高性能、低功耗的功能。本文介紹了智能小車研究現(xiàn)狀，分析了智能小車的總體框架，繼而構(gòu)建ARM嵌入式智能小車控制系統(tǒng)的硬件及軟件平臺。最后通過聯(lián)合調(diào)試，驗證智能小車控制系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)智能小車的遠(yuǎn)程跟蹤和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ARM;嵌入式;智能小車;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）29-0017-04

Design and Research of Intelligent Car Control System

Based on ARM Embedded

LYU Chun

（Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi Jiangsu 214151）

Abstract： People can't enter the harsh environment for a long time， and the emergence of smart cars solves this problem. The smart car integrates multiple automation technologies and has excellent scalability to achieve high performance and low power consumption. This paper introduced the research status of smart cars， analyzed the overall framework of smart cars， and then built the hardware and software platform of ARM embedded smart car control system. Finally， through the joint debugging， the feasibility and stability of the smart car control system were verified， so as to realize the remote tracking and remote monitoring of the smart car.

Keywords： ARM;embedded;smart car;control system

在現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)步的今天，各行各業(yè)分工明確，行業(yè)職業(yè)病越來越明顯。因此，人們利用智能化的高科技技術(shù)，采用某種機(jī)器代替高難度、重復(fù)、危險的工作，以實現(xiàn)工作自由。智能機(jī)器人在軍事、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以更好地幫助人類提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量。隨著人類活動領(lǐng)域的不斷增加，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，如海洋開發(fā)、空間探測、地質(zhì)勘探、醫(yī)療保健、娛樂服務(wù)等。本文所研究的智能小車也屬于機(jī)器人的范疇。智能小車類似于一個智能微型車，自助駕駛，實時獲取圖像，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將獲取的圖像進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)程監(jiān)控也是其中的一個重要功能。智能小車采用計算機(jī)編寫的程序控制小車的啟動、暫停、方向，不需要人為干預(yù)，是典型的高新技術(shù)集合體。因此，對該類領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，對人們未來的工作和生活將會有極大的幫助。

1 智能小車總體框架設(shè)計

1.1 層次架構(gòu)設(shè)計

基于ARM嵌入式的智能小車控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控層需要由PC機(jī)與Web視頻服務(wù)器共同完成，PC機(jī)主要由路由器與無線網(wǎng)卡連接而成，視頻數(shù)據(jù)主要通過無線通信模塊進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控層實現(xiàn)了智能小車在運動過程中的監(jiān)控[1]。策略應(yīng)用層是整個架構(gòu)的重要組成部分，主要是對嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序進(jìn)行檢查。小車的控制層是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵層;傳感器則是智能小車的指示單元，可以實現(xiàn)小車的穩(wěn)定行駛。小車上的攝像頭可以對沿途的信息進(jìn)行采集，形成圖像后通過無線通信模塊進(jìn)行發(fā)送。小車機(jī)械層是智能小車系統(tǒng)的最底層，同時也是整個控制系統(tǒng)的重要被控制對象[2]。

1.2 軟硬件分析

智能小車是在ARM嵌入式操作系統(tǒng)下進(jìn)行構(gòu)建的，其構(gòu)成有硬件、軟件以及操作系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由ARM9電路板構(gòu)成;軟件部分由驅(qū)動程序構(gòu)成，應(yīng)用程序通過該接口對硬件設(shè)備進(jìn)行操作，可以讓整個系統(tǒng)的軟件與硬件測試同時進(jìn)行;操作系統(tǒng)主要由內(nèi)核、電路構(gòu)成[3]。

嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用程序為核心，軟硬件相結(jié)合。對嵌入式系統(tǒng)而言，硬件是整個系統(tǒng)的中堅力量，而軟件則是整個系統(tǒng)的靈魂，是系統(tǒng)的血液。現(xiàn)今人們所使用的所有嵌入式系統(tǒng)，都需要采用嵌入式軟件為系統(tǒng)提供靈活剪裁與特定的制作功能。在進(jìn)行智能小車設(shè)計時，微處理器是整個硬件設(shè)計部分的關(guān)鍵，是完成尋跡模塊的重要配件，通過攝像頭采集路面信息，從而完成與PC機(jī)的通信[4]。為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的實用性，采用RISC結(jié)構(gòu)的微處理器作為整個系統(tǒng)的核心，幫助系統(tǒng)完善更多的功能。

1.3 基于ARM的智能小車整體架構(gòu)設(shè)計

智能小車控制系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖2所示。

硬件部分由核心板、主控板、驅(qū)動板和采集板等多種電路組成。軟件部分在Linux操作系統(tǒng)下對系統(tǒng)進(jìn)行整體把控，以完成對圖像的采集，通過嵌入式系統(tǒng)，編寫圖像采集程序，以實現(xiàn)Boa Web服務(wù)器的轉(zhuǎn)移[5]。通過Java平臺，它可以實現(xiàn)智能小車采集實時路面情況的功能。

2 智能小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能小車硬件平臺是整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計進(jìn)行硬件設(shè)計，讓整個系統(tǒng)可以更方便地安裝在智能小車中。智能小車控制系統(tǒng)的硬件平臺如圖3所示。

2.1 核心板

ARM在智能小車中非常重要，是整個處理器運行的基礎(chǔ)，因此在進(jìn)行構(gòu)建時，需要讓嵌入式處理器運行起來。根據(jù)設(shè)計需求逐漸添加系統(tǒng)的外部設(shè)備，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能。以S3C2440A處理器為核心，將帶有該芯片以及其他的核心部件封裝在一起，可以達(dá)到較強(qiáng)的通用性功能[6]。

2.2 主控板

主控板電路主要根據(jù)智能小車的需求，對核心板中各種接口進(jìn)行連接，并為電路提供電源。

2.3 穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源的主要目的是控制智能小車能夠穩(wěn)定運行，為控制器提供可運行能源，也可以控制小車的速度與方向。整個系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，驅(qū)動板與主板之間采用光耦進(jìn)行連接，隨著電量的使用，電壓值不斷改變，且需要讓小車的電壓穩(wěn)定在10.2V，才能夠完全滿足設(shè)計要求。

2.4 尋跡電路

尋跡電路模塊直接影響到小車的尋跡運行方向，小車的軌道為黑色軌跡，采用紅外光電傳感器組件進(jìn)行檢測，紅外光傳感器是一種光電開關(guān)，采用紅外光電二極管與高靈敏度組成，信號穩(wěn)定。這種紅外光電管是最常用的一種檢測方式，根據(jù)不同的材料對光線進(jìn)行吸收，當(dāng)紅外光線經(jīng)過白色線時，其處于疏通狀態(tài)[7]。輸出的高低電會介入到ARM中，通過算法進(jìn)行判斷，并輸出信號，從而控制小車的速度和方向。

2.5 圖像采集

智能小車可以對控制系統(tǒng)中的領(lǐng)域算法進(jìn)行驗證，攝像頭可以決定智能算法的工作方式，Linux內(nèi)核驅(qū)動支持多種芯片的攝像頭，但這些攝像頭的采集效果不一。本系統(tǒng)采用中星微電子公司的ZC0301芯片攝像頭，該攝像頭可以為系統(tǒng)提供良好的圖像處理功能。

3 智能小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件程序總體設(shè)計

智能小車的軟件程序設(shè)計包含了多種應(yīng)用程序的開發(fā)，在Linux系統(tǒng)下，所有的設(shè)備都是一個個獨立存在的文件[8]，設(shè)備中的驅(qū)動程序?qū)鳛長inux操作系統(tǒng)連接內(nèi)部與外部的接口，讓系統(tǒng)看起來像一個完整的系統(tǒng)。應(yīng)用程序均采用統(tǒng)一的接口，并向內(nèi)部接口提出請求，并調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，從而完成整個智能小車的軟件程序設(shè)計。其設(shè)計流程如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)原理

設(shè)備驅(qū)動程序都是在特定的條件下進(jìn)行編寫的，嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序中包含了自動配制初始化、I/O端口、終端服務(wù)等功能。驅(qū)動程序支持同一類型多個子程序，當(dāng)調(diào)用中斷服務(wù)時，需要通過設(shè)置多個參數(shù)來保證設(shè)備的唯一性。驅(qū)動程序在Linux系統(tǒng)下的位置處于最末端，應(yīng)用程序?qū)游挥谧罡邔覽9]。Linux內(nèi)部封裝了設(shè)備的驅(qū)動程序，內(nèi)部的程序無法對應(yīng)用程序進(jìn)行直接訪問，這樣做的目的是增加系統(tǒng)的安全性。

3.3 設(shè)備驅(qū)動設(shè)計

當(dāng)USB接口插入主控板后，需要先初始化USB總線，發(fā)送數(shù)據(jù)請求，由控制器完成數(shù)據(jù)的接收，并與最底層的硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交互。最底層的硬件被USB驅(qū)動隱藏，需要由USB設(shè)備驅(qū)動完成應(yīng)用層軟件的工作。驅(qū)動程序的設(shè)計如下。

一是圖像采集，程序設(shè)計如下。

<*>usb SPCA5XX Sonix jpeg Cameras

Multimedia devices --->

Video For Linux? ?//加載 Video For Linux 模塊

USB support? ?--->

二是無線網(wǎng)卡，程序設(shè)計如下[10]。

#tar xjvf 2009_0713_RT73_Linux_STA_Drv1.1.0.3.tar.bz2? ? //解壓

cp Module/* /home/linux-2.6.31/drivers/usb/net/rt73? ? ?//新建文件夾

config RT73

tristate "support rt73 wireless usb network device"

depends on USB && NET && USB_USBNET//修改

4 仿真測試

4.1 速度測試

采用卷尺對智能小車的軌跡進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

4.2 轉(zhuǎn)向測試

采用量角器對智能小車的偏移進(jìn)行測量，采用卷尺對智能小車的距離進(jìn)行測量，利用秒表記錄小車的所需時間。測試結(jié)果如表2所示[12]。

4.3 圖像采集測試

無線網(wǎng)卡可以對圖像采集進(jìn)行測試，首先要將采集到的圖像保存在電腦目錄中，當(dāng)緩存到一定數(shù)量時會自動停止采集[14]，所使用的時間大概為30s，表示智能小車控制系統(tǒng)在無線傳輸?shù)那闆r下沒有出現(xiàn)延遲，畫面流暢。

4.4 無線傳輸距離測試

采用ping命令，測試無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?。例如，ping 221.33.14.23后發(fā)送了255個數(shù)據(jù)包，接收到240個數(shù)據(jù)包，則丟失率為1.06%。

4.5 視頻監(jiān)控測試

將串口線、網(wǎng)線與電腦相連接，啟動終端后加載攝像頭模塊，并將攝像頭模塊插入到目標(biāo)板中。啟動服務(wù)器后，通過終端將圖像的大小設(shè)置為640×480[15]。在終端上輸入啟動命令，打開Java運行下的瀏覽器，輸入IP地址，就可以看到視頻監(jiān)控的畫面。

5 結(jié)語

基于ARM的智能小車控制系統(tǒng)，是一款高性能、低消耗的智能控制系統(tǒng)，采用ARM9電路板、Linux嵌入式系統(tǒng)作為智能小車控制平臺的硬件平臺與軟件平臺，可以實現(xiàn)圖像采集處理、無線傳輸以及視頻監(jiān)控的功能。最后通過試驗驗證，ARM嵌入式控制系統(tǒng)可以讓智能小車完美地實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控，從而實現(xiàn)更好的尋跡效果。

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