嵌入式智能運(yùn)輸小車的設(shè)計(jì)

樓瓊蕙

（共青科技職業(yè)學(xué)院，江西 九江 332020）

0 引言

傳統(tǒng)智能小車的嵌入式系統(tǒng)通常使用單片機(jī)，也可以使用ARM嵌入式系統(tǒng)，從構(gòu)成上來(lái)看，包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。其中，硬件系統(tǒng)所發(fā)揮的功能是裁剪以及用于拓展。本文所介紹的嵌入式智能運(yùn)輸小車，硬件環(huán)境采用xilinx的FPGA開發(fā)板搭建工程，根據(jù)擴(kuò)展需要添加最小系統(tǒng)乃至IP核，其擴(kuò)展是一對(duì)一實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)造成資源浪費(fèi)[1]。FPGA的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，可以發(fā)揮FPGA的并行執(zhí)行效應(yīng)，還可以有效控制嵌入式軟件的邏輯過(guò)程。

1 嵌入式智能運(yùn)輸小車的總體方案設(shè)計(jì)

小車的主控制器是Spartan-6 FPGA，其應(yīng)用成本低，功耗也比較低。傳感器所使用的攝像頭中安裝有圖像采集模塊，型號(hào)為ov6620。在采集信息的過(guò)程中，還可以測(cè)量路徑，使用具有測(cè)距功能的HCSR04超聲波模塊，兩者實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，當(dāng)小車處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候可以有效控制。小車上安裝有電機(jī)，對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)速度的確定以及舵機(jī)轉(zhuǎn)角的確定需要應(yīng)用模糊算法計(jì)算，使小車的各項(xiàng)操作穩(wěn)步進(jìn)行。

1.1 主控制器

主控制器采用的是可編程邏輯器件FPGA，即便是復(fù)雜的邏輯功能也可以實(shí)現(xiàn)。FPGA的體積小，不會(huì)占用很大空間，而且為大規(guī)模、高密度，有很高的穩(wěn)定性，有豐富的IO資源，擴(kuò)展外圍功能非常容易。FPGA的成本越來(lái)越低，搭建嵌入式系統(tǒng)具有可行性，不僅軟件靈活性較高，而且具備并行快速執(zhí)行效率。所以，本設(shè)計(jì)所采用的主控制器是Nexys3 Spartan-6。

1.2 電源穩(wěn)壓芯片

直流電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的功耗，這就決定了供電源需要使用7.2 V，2 000 mAh的電池，降壓芯片所使用的開關(guān)電源為L(zhǎng)M25xx系列單片集成，輸出功率非常大，有很高的轉(zhuǎn)換效率，且具有穩(wěn)定的性能[2]。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)所使用的是全橋驅(qū)動(dòng)，使用BTS7960B搭建，即使輸出功率非常大也可以滿足，可以對(duì)兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.4 攝像頭模塊

使用ov6620數(shù)字?jǐn)z像頭，容易控制且成本低，信號(hào)有較高的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 車體模型

在小車上安裝攝像頭，可以采用尋找黑線的方式對(duì)路線進(jìn)行指引，發(fā)揮超聲波測(cè)量距離的作用，小車還可以自主控制速度。

2.2 電源模塊

輸入電源為7.2 V，輸出電源為5 V，且電源的輸入和輸出都有較高的穩(wěn)定性[3]。

在電源模塊的設(shè)計(jì)中，主芯片是低壓差線性穩(wěn)壓器，一共有4個(gè)，可以起到降壓的作用。為了避免用戶將輸入電源反接，可以使用集成防反接電路模塊。如果所使用的設(shè)備電流非常大，使用5 A通道效果會(huì)更好一些，設(shè)備得以順利驅(qū)動(dòng)。

在電源模塊上有很多的引腳，非常適合智能小車，可以為傳感器供電，特別是各類傳感器以及核心板、電機(jī)等等都有不同的供電電壓，使用這個(gè)模塊更便于供電。為了保護(hù)好電源板，需要實(shí)施防反接保護(hù)措施，還需要實(shí)施短路保護(hù)和芯片熱保護(hù)等。

2.3 核心板

在設(shè)計(jì)核心板的時(shí)候微處理器起到核心作用，會(huì)對(duì)選擇其他硬件設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。技術(shù)快速升級(jí)，微處理器的性能更加完善。ARM處理器的資源非常豐富，低功耗、低價(jià)格，有很高的性價(jià)比。ARM的Thumb指令是16位，處理器是32位，有很快的處理速度[4]。ARM的片內(nèi)有非常豐富的外設(shè)資源，將自身的資源充分利用起來(lái)，外圍器件的控制功能就會(huì)有所增加。使用ARM微處理器還可以對(duì)操作系統(tǒng)移植，使智能小車更加智能化，運(yùn)行效率更高。所以，在本設(shè)計(jì)中使用了ARM處理器。

2.4 循跡模塊

使用的數(shù)字傳感器中，在同一面上安裝光敏二極管和發(fā)光二極管各一只，一共安裝了8個(gè)傳感器。數(shù)字傳感器所發(fā)揮的功能是因?yàn)闄z測(cè)面的顏色不同，對(duì)光會(huì)有不同的反射程度，在檢測(cè)顏色深淺的時(shí)候充分利用了不同檢測(cè)面產(chǎn)生不同的光敏電阻這一原理。在檢測(cè)的過(guò)程中，發(fā)光二極管發(fā)光，向檢測(cè)面照射，部分光線反射回來(lái)，光敏二極管對(duì)光線的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為機(jī)器人能夠有效識(shí)別的信號(hào)。數(shù)字傳感器的返回值為高低電平，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較器劃分為高電平信號(hào)和低電平信號(hào)。發(fā)揮電位器的作用，就可以對(duì)高電平信號(hào)和低電平信號(hào)的分界線進(jìn)行調(diào)節(jié)，此為光靈敏度的調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)智能小車的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用EDK工具安裝開發(fā)平臺(tái)，搭建最小的嵌入式系統(tǒng)，將芯片所對(duì)應(yīng)的庫(kù)安裝好，進(jìn)行開發(fā)環(huán)境的設(shè)置，主要用于軟件編程。接著進(jìn)行模塊化的編程，按照每個(gè)環(huán)節(jié)的操作內(nèi)容運(yùn)行小車，使其能夠搬運(yùn)物塊[5]。

在軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)于外部硬件驅(qū)動(dòng)可以使用IP核的形式在最小系統(tǒng)中添加，驅(qū)動(dòng)核心代碼的編寫需要使用硬件描述語(yǔ)言，通過(guò)寄存器，軟件就可以對(duì)外部硬件驅(qū)動(dòng)（見圖1）。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)

具體的操作中，小車接收到啟動(dòng)指令后，開始自行移動(dòng)，按照數(shù)字傳感器的返回值判斷行動(dòng)路線，自主尋找行動(dòng)的軌跡。當(dāng)移動(dòng)到指定位置之后，就開始對(duì)物塊的特征進(jìn)行識(shí)別，使用鉤爪抓取物塊。返回的時(shí)候，同樣是選擇合適的路線，按照指令將物塊送到指定的位置[6]。

如果嵌入式智能運(yùn)輸小車沒有完成搬運(yùn)物塊的任務(wù)判斷，就要重復(fù)進(jìn)行上面的操作程序，但是如果物塊擺放在不同的位置上，在尋找物塊和抓取物塊的時(shí)候，還需要對(duì)小車自身所在位置以及物塊所在的位置做出判斷，對(duì)返回的路線做出選擇，最終完成物塊的搬運(yùn)，返回到起點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的嵌入式智能運(yùn)輸小車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所有的功能模塊都可以正常發(fā)揮作用，電機(jī)可以正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)，而且能夠調(diào)節(jié)速度。小車在運(yùn)行過(guò)程中能夠正常循跡，小車的鉤爪能夠按照指令抓取物塊。嵌入式智能運(yùn)輸小車完成任務(wù)之后，自動(dòng)回到起點(diǎn)的位置。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前工業(yè)自動(dòng)化正在向智能化方向發(fā)展，發(fā)揮智能技術(shù)的作用實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型，主要的目的是生產(chǎn)個(gè)性化產(chǎn)品，可以智能化操作，服務(wù)更加便捷。現(xiàn)在，智能技術(shù)已經(jīng)滲入到整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)周期，可以在傳感條件下完成智能化制造。智能產(chǎn)品通過(guò)傳感器的作用，可以發(fā)揮感知功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還可以應(yīng)答、決策，使工廠的管理實(shí)現(xiàn)智能化。智能運(yùn)輸小車作為輪式機(jī)器人在工業(yè)企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，能夠給工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和管理帶來(lái)諸多的便利。