基于ARM和Linux的路徑記憶循跡小車

摘要：針對智能小車在實際應用中的需要，設計了一種基于ARM和Linux的具有路徑記憶循跡功能的智能小車。利用ARM和Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了對智能小車的超聲波避障模塊、電機等的控制。利用電子羅盤，實現(xiàn)了小車在無黑線情況下精確轉向;利用超聲波測距避障以及Linux文件系統(tǒng)建立和保存了智能小車運行的路徑記憶庫;通過讀取記憶庫的數據實現(xiàn)智能小車的循跡功能。結果表明，該設計方案可以很好地實現(xiàn)循跡功能并且對環(huán)境的適應性較強。

引言

智能車是近年來發(fā)展起來的一門新興的綜合技術，在軍事領域得到了廣泛應用，而且在生產和生活中的應用也日趨普遍。

目前智能小車的自主移動方式有兩種：循跡和避障。一般的循跡功能可以通過算法使其能精確地在黑線上行駛，但是由于一些室內環(huán)境的因素，要實施黑線的布置并不符合實際要求。一般的避障功能僅僅是通過探測前方障礙物而進行躲避，通過算法可以完成從出發(fā)點到定點的行駛，但是算法運算量大且放在不同的環(huán)境，就需要更改程序，這對實際應用帶來很大的不便。

基于這種背景，設計了一種利用超聲波測距避障功能以及Linux文件系統(tǒng)的路徑記憶循跡智能小車，通過人為地設置障礙物來規(guī)劃小車的行走路線，并將路線記錄入庫。小車只需讀取庫中的數據即可按照規(guī)劃的路線行駛以實現(xiàn)循跡功能，可擺脫尋查黑線的循跡方式。當環(huán)境發(fā)生變化時，利用按鍵設置小車的工作模式，可以直接重新建立記憶庫，無需更改程序，具有一定的實際意義。

1 總體設計

圖1為本系統(tǒng)總體結構框圖，主要由超聲波測距模塊與云臺、S3C6410控制器、電機驅動模塊、光電測速模塊以及電源等部分組成。其中，電源用于完成對整個系統(tǒng)的供電，超聲波測距模塊與云臺完成對小車運行狀態(tài)的預判，電機驅動模塊根據預判的結果執(zhí)行相應的操作，光電測速模塊用于PID控制的反饋以及在轉向時控制車輪運行的周數，S3C6 410控制器在移植Linux操作系統(tǒng)的基礎上完成對各模塊的控制并建立小車運行狀態(tài)的記憶庫。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器

S3C6410控制器是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的RISC處理器，它基于ARM11內核(ARM1176JZF—S)，可廣泛應用于移動電話和通用處理等領域?？刂破饔珊诵碾娐钒搴椭靼鍍刹糠纸M成，核心板上設計有S3C6410、SDRAM存儲電路、NAND Flash、1.25 V電源電路和處理器復位電路等，主板上設計有串口、網口、按鍵等。

2.2 電源與電機驅動模塊

電源采用現(xiàn)有的鋰充電電池供電，鋰電池的電壓約為7.2 V。電機驅動采用的是L298N驅動模塊，該模塊采用ST公司的L298N芯片，采用高質量鋁電解電容，可使電路穩(wěn)定工作;可以直接驅動兩路3～16 V直流電機，并提供了5 V輸出接口，可以給5 V單片機電路系統(tǒng)供電，支持3.3 V ARM控制，可以方便地控制直流電機速度和方向。

2.3 超聲波測距模塊與云臺

采用US-100超聲波測距模塊，該模塊可實現(xiàn)0～4.5 m的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內置看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

云臺采用SG90舵機，工作電壓為4.8～6 V，無負載的情況下轉速為0.12 s/60℃?？刂菩盘栍山邮諜C的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準信號。將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片，決定電機的正反轉。

2.4 光電測速模塊

本設計中的測速模塊采用槽型對射光電，只要在非透明物體中通過槽型即可觸發(fā)(配合小車測速碼盤20格使用)輸出5 V TTL電平，采用了施密特觸發(fā)器去抖動脈沖，非常穩(wěn)定，用于小車測轉速、測距離等。

2.5 電子羅盤

電子羅盤采用霍尼韋爾HMC5883L芯片，該芯片帶有數字接口的弱磁傳感器，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1°的I2C系列總線接口。

3 記憶庫的設計

3.1 智能小車避障方案選擇

根據設計要求，小車在行駛過程中需要準確地檢測前方的人為障礙物，并通過障礙物的位置來確定小車下一步的運行狀態(tài)，因此對測量距離有一定要求。障礙物檢測可以有多種方法：紅外光檢測、超聲波檢測和機械接觸。這些方法各有優(yōu)缺點，常用的有紅外檢測和超聲波檢測，兩種方案的區(qū)別見表1。對比兩種方案的指標后，本文避障方案選擇超聲波檢測，并且為了滿足系統(tǒng)要求添加了SG90舵機作為輔助，使用超聲波可以檢測多個方向。

3.2 智能小車的路徑狀態(tài)設計

為了簡化記憶庫的設計以及結合實際應用中的情況，智能小車的運行狀態(tài)設定成4種情況：直行、90°左轉彎、90°右轉彎和180°掉頭。其中，直行狀態(tài)在記憶庫中的表示是時間，通過Linux中的時間函數測量直行狀態(tài)的持續(xù)時間，單位為s。

為了使智能小車能按照上面的4種情況運行，智能小車在行進中遇到的路徑情況是人為設定的，如圖2所示。

3.3 記憶庫的建立

智能小車的運行狀態(tài)是人為設定的4種情況，記憶庫中的數據就是由這4個狀態(tài)標志組成。人為設置好從起點到終點的障礙物后，即可讓小車在起點開始運行，并在每次改變運行狀態(tài)前將運行狀態(tài)記錄入庫。在到達終點后以180°掉頭作為結束標志，然后利用Linux文件系統(tǒng)將記憶庫里的數據保存到Linux下的一個文件當中，到此完成記憶庫的建立。