基于arm的智能探测小车的设计与实现硕士研究生学位论文(编辑修改稿)

基于arm的智能探测小车的设计与实现硕士研究生学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

探月卫星的速度都要快。 更让人振奋的是 “嫦娥二号 ”在飞行 180 余小时后，在 10 月 9 日 上午11 时 32 分正式进入轨道高度为 100 公里、周期为 118 分钟的圆形环月 “使命轨道 ”。 这代表着， “嫦娥二号 ”任务已基本取得成功。 如图 所 示本次嫦娥二号卫星发射的主要任务。 图 嫦娥二号探月任务 “嫦娥二号 ”的成功发射标志着 开展月球探测工作是我国迈出 航天深空探测第一步的重大举措。 实现月球探测将是我国航天深 空探测零的突破。 月球已成为未来航天大国争夺战略资源的焦点。 月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源，月球上特第一章 绪论 基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与实现 2 有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充和储备，将对人类社会的可持续发展产生深远影响。 “嫦娥工程 ”是分阶段实施的 “三步走 ” ， 三阶段都采用无人自动探测，可用 “绕、落、回 ”来简单概括： 第一期工程叫 “绕 ” 即发射一个月球探测器，围绕月球轨道靠近月面进行探测，包括对月球影像的拍摄，对近月表面情况（成分、月壤厚度等）的探测，以及对月地之间环境的探测等。 这个探测器 20xx 年就已经 发射。 第二期工程叫 “落 ” 即发射一个月球 探测器，着陆在月球表面上，再从这个月球着陆探测器上释放出一个探月 车，在月球表面上行走探测。 如果申报获批，该工程预计在 20xx 年前后进行（本文所研究设计 的 智能探测小车 即为了模拟第二期工程中降落在月球表面的探测器）。 第三期工程叫 “回 ” 即发射一个月球着陆器着陆在月球表面，但这个着陆器与上一期 “落 ”阶段的月球着陆器不一样，它还带有返回的功能。 这个月球着陆器落在月球表面就位探测后，再将从月球上所取的样品放回到返回器上，返回器最终把样品带回地球。 “回 ”的技术水平更高、更复杂，预计在 2017 年左右进行。 等到这 “三步走 ” 走下来，我国接着就将开始中华民族千年梦想的载人登月计划，并有可能与有关国家共建月球基地。 甚至还有航天专家预想，我国将在 20xx 年——2033 年 间实现无人火星探测， 2040 年 ——2060 年实现载人火星探测 [1]。 在航天深空探索上，美国人有着全世界最好的技术和经验。 20xx 年，美国宇航局发射 “勇气 ”号和 “机遇 ”号火星车执行火星探索任务。 20xx 年 1 月，两辆火星车在火星的不同区域着陆。 迄今为止，它们已在火星表面跋涉了 5 年多时间，以寻找这颗星球过去是否有水的线索。 根据最初的设计， “勇气 ”号和 “机遇 ”号用来执行为期 90 天的火星探索任务，但这两个机器人最终上演了超龄服役的壮举。 “勇气 ”号是迄今美国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相 机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。 “勇气 ”号成功实现了集通信、拍摄和计算等功能于一身。 火星车能够在火星上自主行驶：当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六个轮子向基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与 实现 第一章 绪论 3 目标行驶，在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径。 本文所述的 智能探测小车 ，是类似火星车，以轮子作为移动机构、能够实现自主行驶的 一种机器人，它具有机器人的基本特征 ——易于再编程。 目前各国关于机器人的定义都各不相同，在美国标准中，只有易于再编程的装置才认为是机器人。 智能探测小车 不同遥控小车，后者需要操作员来控制其转向、启停和进退 ，比较先进的遥控车还能控制其速度。 常见的模型小车，都属于这类遥控车。 而 智能探测小车 ，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。 操作员可以通过修改小车的计算机程序来改变它的行驶方式。 这种 智能探测小车 的另一基本特征是 ，依靠自动导航软件实现在一定道路条件下的自动行驶，这是车辆的另一个基本特征。 自寻迹 的 智能探测小车 ，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工及自动控 制等技术，是典型的高新技术综合体。 智能探测小车 最适 合在那些人类无法工作的环境中工作，因此这类 机器人小车的研究和开发对未来的工业和社会具有十分重要的意义。 另外， 智能探测小车 的自动控制、传感、通信等 的研究将有助于车辆的研究，车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大 的影响 [25]。 作者在研究生期间一直从事嵌入式 专业 的研究 和教学工作 ，嵌入式行业的蓬勃发展以及先进控制 的理论成果使得对机器人的研究更具有挑战性。 作者在从事嵌入式机器人的研究期间， 曾带领学生 参加过 IEEE 标准电脑鼠走迷宫、全国 高职高专技能大赛 ——嵌入式产品开发等比 赛。 在对 智能探测小车 的研究中面临的最大难题在于小车本身是一个独立的系统，即机器人小车的 “智能 ”在于它有自己的大脑，有自己的躯干，它不仅会思考而且要有效的管理自己躯干的各个部件。 而要进行思考和管理就必须要有可靠的控制算法，但是常规的单一控制算法都不具备充当机器人小车更 “智能 ”的条件。 另外 智能探测小车 是一个独立的控制系统，对硬件的要求随着系统功能的增加而增高，嵌入式控制系统电路的设计势必要满足简介、可靠、低功耗等要求。 目前基于第一章 绪论 基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与实现 4 单片机的控制系统外围电路、可靠性、可扩展性普遍较差，如何设计一套电路简单、性能可靠 、功能齐全的嵌入式机器人小车硬件控制系统是另一个难题。 由于 智能探测小车 对控制以及精度的要求，控制系统的软件部分亦将变的庞大而复杂。 嵌入 真正开放、资源丰富、扩展性强、能实时多任务管理的 Linux 操作系统成为首选办法。 本文以 ARM920T 核控制芯片为控制器，用红 外传感器识别路径，使用直流电机进行转向控制和速度控制，使用 CMOS 摄像头来拍摄识别对象，使用无线网卡来传输数据， 使用协 Linux 操作系统来管理应用程序，使用上位机软件来控制小车启停并接收反馈信号。 研究 红外寻迹的 PD 变尺度增量 控制算法 和图像处理的灰度二值 化算法。 最终实现一个能够自动识别路径， 自动控制稳定性，自动拍摄识别沿途障碍标志物并自动传送图像 参数 的快速、安全、稳定的 智能探测小车。 为达到上述目的，本课题主要对以下方面进行了工作 : 1． 结合当前机器人发展状况、体系结构以及面临的主要技术问题，阐述了基于ARM 嵌入式 智能探测小车 控制系统的结构，设计出了基于 ARM920T 的最小系统。 在大量的实验基础上设计了 智能探测小车 温度 探测模块，电源模块，通信模块，控制和执行模块等硬件电路。 2． 移植 Linux、 内核、 系统文件 ， 编写 智能探测小车 底层物理驱动 并在 Linux操作系 统的平台基础上 编写调试 智能探测小车 的应用程序。 3． 控制算法的研究与实现 ： 结合红外传感器硬件排布的结构特点，本文设计了自适应的扫描 方法。 对于红外寻迹 本文实现 PD 变尺度增量 控制算法并分析了的其优劣。 结合 CMOS 摄像模块的性能，采用了二值化算法对拍摄图像进行二值化，并对数据结果分析后得到颜色和图像形状。 4． 通过对 智能探测小车 做的大量实验的前提下，本文给出了实验结果的数据比较和分析，并对机器人小车的研究做了展望。 基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与 实现 第二章 嵌入式系统与 智能探测小车 的总体概述 5 第二章 嵌入式系统与 智能探测小车 的总体概述 ARM硬件开发平台 什么是嵌入式系统（ Embedded System）广义地讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。 举例来说，个人计算机（ PC）不是一种嵌入式系统，因为它是用于通用目的的系统。 而一些电话系统就是采用个人计算机技术建立的嵌入式计算机系统，最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等；另外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器，如传真机、打印机等。 狭义上而言，嵌入式系统是指以应用为核心，计算机技术为基础，软硬件可裁减，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。 一般的嵌入式系统的设计过程是：从产品定义开 始，接着进行硬件设计，然后将软件或操作系统移植到硬件上，并且进行应用程序的开发，最后经过测试与调试后即开始销售或使用。 根据 IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是 “用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 ”（原文为 devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants）。 可以看出此定义从应用上考虑，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。 ARM 技术是嵌入式系统的一种，是全球 微处理器行业中一家知名的企业，该公司于 1990 年在剑桥大学成立，它是由苹果电脑、 Acorn Computer Group 和 VLSI Technology 联合成立的一家设计 32 位嵌入式 RISC 芯片内核的公司。 如今， “ARM嵌入式内核 ”已经被全球各大芯片厂商采用，基于 ARM 的开发技术也席卷了全球嵌入式产品的市场，并成为嵌入式系统的主流技术之一 [6]。 ARM 处理器的体系和结构 ARM 构架诞生至今已经有过多次变革，每一次都在性能上得到了很大的提高，目前 ARM 的架构有： (1) V1 构架（ ARM1）：具 有基本的数据处理指令（无乘法）；字节、半字节、字的 Load/Store 指令；转移指令；软件中断指令； 64MB 的寻址空间。 (2) V2 构架（ ARM ARM3）：增加乘法指令；增加支持协处理器的操作；增加第二章 嵌入式系统与 智能探测小车 的总体概述 基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与实现 6 快速中断模式；增加 SWP/SWPB 的存储器和寄存器交换指令。 (3) V3 构架（ ARM6）：增加 MRS/MSR 指令，可以访问新增加的 CPSR/SPSR 寄存器。 增加了异常处理返回；寻址空间扩展到 4GB。 (4) V4 构架（ ARM ARM9）：低功 耗 的 32 位 RISC 处理器，包括 32 位地址线和数据线，具有 ICE 逻辑，调试开发方便；具有 16 位的 Thumb 指令集；主频高达130MIPS；完善了软件中断 SWI 指令。 (5) V5 构架（ ARM10）：具有带链接和交换的转移 BLX 指令；计数前导零 CLZ指令； BRK 中断指令；增加了一些信号处理指令。 (6) V6 构架（ ARM11）：增加了 SIMD 功能，为多媒体处理的应用系统提供优化功能。 其中， ARM ARM ARM10， Intel 的 StrongARM 系列、 Xscale 系列等属于通用处理器系列，已经在很多领域大量应用。 ARM 是基于 RISC（ Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机） [7]而设计的，它与 CISC（ Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机）在一些地方有着很大的区别。 传统的 CISC 计算机随着计算机技术的发展不断地引入新的复杂指令集，为了支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，但在这些指令中，只有约 20%的指令会被反复调用，占程序代码的 80%；余下的 80%指令不经常使用，在程序代码中占 20%，这就造成了浪费，显得设计不合理，而 RISC 则可以避免这些问题。 RISC 指令系统 相对简单，能够满足大部分的功能需求，只要求硬件执行有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作使用成熟的编译技术由简单指令合成，这使得计算机的执行效率得到提高。 目前中高端的服务器普遍使用 RISC 指令集，把重点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度。 CISC 和 RISC 架构各有其侧重点，现在出现了超长指令集计算机，融合了两只指令集的优势，成为未来 CPU发展的趋势之一。 基于 ARM 的 智能探测小车 的设计与 实现 第二章 嵌入式系统与 智能探测小车 的总体概述 7 ARM操作系统 常见的 ARM 操作系统 在嵌入式应用中嵌入式操作系统已经大量存在，尤其在功能复杂、系统庞大、要求较高的 方案中显得越来越重要，可以说没有操作系统的计算机是没有用的，这点在普通的台式电脑上大家都有深刻体会。 操作系统管理整个硬件系统的运行，负责各种资源的调配，充分发挥了 32位 CPU的多任务能力，是整个嵌入式系统的灵魂。 目前有多种嵌入式操作系统，它们使得开发实时应用程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能，把应用程序分割为若干独立运行的模块，使得 程序的设计变得简化许多；对于实时性要求高的应用做到了快速响应和可靠处理；使得整个系统的资源得到很好的管理和应用。 常见的嵌入式操作系统有： (1) Vxworks Vxworks操作系统是美国 WindRiver公司于 1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统 (RTOS)，具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。 Vxworks所具有的显著特点是 :可靠性、实时性和可裁减性，而且它支持多种处理器，如 x8 i960、 SunSp。