基于ARM嵌入式的智能小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

呂純

摘 要：人們無(wú)法進(jìn)入惡劣環(huán)境長(zhǎng)期工作，而智能小車(chē)的出現(xiàn)解決了這個(gè)難題。智能小車(chē)集多種自動(dòng)化技術(shù)于一體，具有很好的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了高性能、低功耗的功能。本文介紹了智能小車(chē)研究現(xiàn)狀，分析了智能小車(chē)的總體框架，繼而構(gòu)建ARM嵌入式智能小車(chē)控制系統(tǒng)的硬件及軟件平臺(tái)。最后通過(guò)聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證智能小車(chē)控制系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)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(chē);控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(lái)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(xiǎn)的工作，以實(shí)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(lèi)提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量。隨著人類(lèi)活動(dòng)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(kāi)發(fā)、空間探測(cè)、地質(zhì)勘探、醫(yī)療保健、娛樂(lè)服務(wù)等。本文所研究的智能小車(chē)也屬于機(jī)器人的范疇。智能小車(chē)類(lèi)似于一個(gè)智能微型車(chē)，自助駕駛，實(shí)時(shí)獲取圖像，并通過(guò)無(wú)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(gè)重要功能。智能小車(chē)采用計(jì)算機(jī)編寫(xiě)的程序控制小車(chē)的啟動(dòng)、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(duì)該類(lèi)領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)，對(duì)人們未來(lái)的工作和生活將會(huì)有極大的幫助。

1 智能小車(chē)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 層次架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ARM嵌入式的智能小車(chē)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(wú)線網(wǎng)卡連接而成，視頻數(shù)據(jù)主要通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的監(jiān)控[1]。策略應(yīng)用層是整個(gè)架構(gòu)的重要組成部分，主要是對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行檢查。小車(chē)的控制層是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵層;傳感器則是智能小車(chē)的指示單元，可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的穩(wěn)定行駛。小車(chē)上的攝像頭可以對(duì)沿途的信息進(jìn)行采集，形成圖像后通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行發(fā)送。小車(chē)機(jī)械層是智能小車(chē)系統(tǒng)的最底層，同時(shí)也是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要被控制對(duì)象[2]。

1.2 軟硬件分析

智能小車(chē)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(dòng)程序構(gòu)成，應(yīng)用程序通過(guò)該接口對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作，可以讓整個(gè)系統(tǒng)的軟件與硬件測(cè)試同時(shí)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?yàn)楹诵?，軟硬件相結(jié)合。對(duì)嵌入式系統(tǒng)而言，硬件是整個(gè)系統(tǒng)的中堅(jiān)力量，而軟件則是整個(gè)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(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，微處理器是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵，是完成尋跡模塊的重要配件，通過(guò)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)用性，采用RISC結(jié)構(gòu)的微處理器作為整個(gè)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(chē)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能小車(chē)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

硬件部分由核心板、主控板、驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體把控，以完成對(duì)圖像的采集，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)，編寫(xiě)圖像采集程序，以實(shí)現(xiàn)Boa Web服務(wù)器的轉(zhuǎn)移[5]。通過(guò)Java平臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)采集實(shí)時(shí)路面情況的功能。

2 智能小車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)硬件平臺(tái)是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，讓整個(gè)系統(tǒng)可以更方便地安裝在智能小車(chē)中。智能小車(chē)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)如圖3所示。

2.1 核心板

ARM在智能小車(chē)中非常重要，是整個(gè)處理器運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此在進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，需要讓嵌入式處理器運(yùn)行起來(lái)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求逐漸添加系統(tǒng)的外部設(shè)備，從而實(shí)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(chē)的需求，對(duì)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(chē)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，為控制器提供可運(yùn)行能源，也可以控制小車(chē)的速度與方向。整個(gè)系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，驅(qū)動(dòng)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(chē)的電壓穩(wěn)定在10.2V，才能夠完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.4 尋跡電路

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

2.5 圖像采集

智能小車(chē)可以對(duì)控制系統(tǒng)中的領(lǐng)域算法進(jìn)行驗(yàn)證，攝像頭可以決定智能算法的工作方式，Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)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(chē)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件程序總體設(shè)計(jì)

智能小車(chē)的軟件程序設(shè)計(jì)包含了多種應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，在Linux系統(tǒng)下，所有的設(shè)備都是一個(gè)個(gè)獨(dú)立存在的文件[8]，設(shè)備中的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?huì)作為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)連接內(nèi)部與外部的接口，讓系統(tǒng)看起來(lái)像一個(gè)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(qǐng)求，并調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，從而完成整個(gè)智能小車(chē)的軟件程序設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是在特定的條件下進(jìn)行編寫(xiě)的，嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中包含了自動(dòng)配制初始化、I/O端口、終端服務(wù)等功能。驅(qū)動(dòng)程序支持同一類(lèi)型多個(gè)子程序，當(dāng)調(diào)用中斷服務(wù)時(shí)，需要通過(guò)設(shè)置多個(gè)參數(shù)來(lái)保證設(shè)備的唯一性。驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序，內(nèi)部的程序無(wú)法對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行直接訪問(wèn)，這樣做的目的是增加系統(tǒng)的安全性。

3.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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(qǐng)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(dòng)隱藏，需要由USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)完成應(yīng)用層軟件的工作。驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)如下。

一是圖像采集，程序設(shè)計(jì)如下。

<*>usb SPCA5XX Sonix jpeg Cameras

Multimedia devices --->

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

USB support? ?--->

二是無(wú)線網(wǎng)卡，程序設(shè)計(jì)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(cè)試

4.1 速度測(cè)試

采用卷尺對(duì)智能小車(chē)的軌跡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.2 轉(zhuǎn)向測(cè)試

采用量角器對(duì)智能小車(chē)的偏移進(jìn)行測(cè)量，采用卷尺對(duì)智能小車(chē)的距離進(jìn)行測(cè)量，利用秒表記錄小車(chē)的所需時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如表2所示[12]。

4.3 圖像采集測(cè)試

無(wú)線網(wǎng)卡可以對(duì)圖像采集進(jìn)行測(cè)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(shí)會(huì)自動(dòng)停止采集[14]，所使用的時(shí)間大概為30s，表示智能小車(chē)控制系統(tǒng)在無(wú)線傳輸?shù)那闆r下沒(méi)有出現(xiàn)延遲，畫(huà)面流暢。

4.4 無(wú)線傳輸距離測(cè)試

采用ping命令，測(cè)試無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣取＠?，ping 221.33.14.23后發(fā)送了255個(gè)數(shù)據(jù)包，接收到240個(gè)數(shù)據(jù)包，則丟失率為1.06%。

4.5 視頻監(jiān)控測(cè)試

將串口線、網(wǎng)線與電腦相連接，啟動(dòng)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(dòng)服務(wù)器后，通過(guò)終端將圖像的大小設(shè)置為640×480[15]。在終端上輸入啟動(dòng)命令，打開(kāi)Java運(yùn)行下的瀏覽器，輸入IP地址，就可以看到視頻監(jiān)控的畫(huà)面。

5 結(jié)語(yǔ)

基于ARM的智能小車(chē)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(chē)控制平臺(tái)的硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)圖像采集處理、無(wú)線傳輸以及視頻監(jiān)控的功能。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，ARM嵌入式控制系統(tǒng)可以讓智能小車(chē)完美地實(shí)現(xiàn)無(wú)線視頻監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)更好的尋跡效果。

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