基于ARM和Linux的路徑記憶循跡小車

摘要：針對(duì)智能小車在實(shí)際應(yīng)用中的需要，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)智能小車的超聲波避障模塊、電機(jī)等的控制。利用電子羅盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了小車在無(wú)黑線情況下精確轉(zhuǎn)向;利用超聲波測(cè)距避障以及Linux文件系統(tǒng)建立和保存了智能小車運(yùn)行的路徑記憶庫(kù);通過(guò)讀取記憶庫(kù)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能小車的循跡功能。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可以很好地實(shí)現(xiàn)循跡功能并且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。

引言

智能車是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的綜合技術(shù)，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而且在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用也日趨普遍。

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

基于這種背景，設(shè)計(jì)了一種利用超聲波測(cè)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(guò)人為地設(shè)置障礙物來(lái)規(guī)劃小車的行走路線，并將路線記錄入庫(kù)。小車只需讀取庫(kù)中的數(shù)據(jù)即可按照規(guī)劃的路線行駛以實(shí)現(xiàn)循跡功能，可擺脫尋查黑線的循跡方式。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，利用按鍵設(shè)置小車的工作模式，可以直接重新建立記憶庫(kù)，無(wú)需更改程序，具有一定的實(shí)際意義。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1為本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，主要由超聲波測(cè)距模塊與云臺(tái)、S3C6410控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電測(cè)速模塊以及電源等部分組成。其中，電源用于完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電，超聲波測(cè)距模塊與云臺(tái)完成對(duì)小車運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)判，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)預(yù)判的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作，光電測(cè)速模塊用于PID控制的反饋以及在轉(zhuǎn)向時(shí)控制車輪運(yùn)行的周數(shù)，S3C6 410控制器在移植Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成對(duì)各模塊的控制并建立小車運(yùn)行狀態(tài)的記憶庫(kù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jià)比的RISC處理器，它基于ARM11內(nèi)核(ARM1176JZF—S)，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話和通用處理等領(lǐng)域?？刂破饔珊诵碾娐钒搴椭靼鍍刹糠纸M成，核心板上設(shè)計(jì)有S3C6410、SDRAM存儲(chǔ)電路、NAND Flash、1.25 V電源電路和處理器復(fù)位電路等，主板上設(shè)計(jì)有串口、網(wǎng)口、按鍵等。

2.2 電源與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是L298N驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊采用ST公司的L298N芯片，采用高質(zhì)量鋁電解電容，可使電路穩(wěn)定工作;可以直接驅(qū)動(dòng)兩路3～16 V直流電機(jī)，并提供了5 V輸出接口，可以給5 V單片機(jī)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(jī)速度和方向。

2.3 超聲波測(cè)距模塊與云臺(tái)

采用US-100超聲波測(cè)距模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)0～4.5 m的非接觸測(cè)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(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)置看門(mén)狗，工作穩(wěn)定可靠。

云臺(tái)采用SG90舵機(jī)，工作電壓為4.8～6 V，無(wú)負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)速為0.12 s/60℃?？刂菩盘?hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)。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(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.4 光電測(cè)速模塊

本設(shè)計(jì)中的測(cè)速模塊采用槽型對(duì)射光電，只要在非透明物體中通過(guò)槽型即可觸發(fā)(配合小車測(cè)速碼盤(pán)20格使用)輸出5 V TTL電平，采用了施密特觸發(fā)器去抖動(dòng)脈沖，非常穩(wěn)定，用于小車測(cè)轉(zhuǎn)速、測(cè)距離等。

2.5 電子羅盤(pán)

電子羅盤(pán)采用霍尼韋爾HMC5883L芯片，該芯片帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器，應(yīng)用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤(pán)精度控制在1°的I2C系列總線接口。

3 記憶庫(kù)的設(shè)計(jì)

3.1 智能小車避障方案選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，小車在行駛過(guò)程中需要準(zhǔn)確地檢測(cè)前方的人為障礙物，并通過(guò)障礙物的位置來(lái)確定小車下一步的運(yùn)行狀態(tài)，因此對(duì)測(cè)量距離有一定要求。障礙物檢測(cè)可以有多種方法：紅外光檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和機(jī)械接觸。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，常用的有紅外檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，兩種方案的區(qū)別見(jiàn)表1。對(duì)比兩種方案的指標(biāo)后，本文避障方案選擇超聲波檢測(cè)，并且為了滿足系統(tǒng)要求添加了SG90舵機(jī)作為輔助，使用超聲波可以檢測(cè)多個(gè)方向。

3.2 智能小車的路徑狀態(tài)設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化記憶庫(kù)的設(shè)計(jì)以及結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的情況，智能小車的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定成4種情況：直行、90°左轉(zhuǎn)彎、90°右轉(zhuǎn)彎和180°掉頭。其中，直行狀態(tài)在記憶庫(kù)中的表示是時(shí)間，通過(guò)Linux中的時(shí)間函數(shù)測(cè)量直行狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，單位為s。

為了使智能小車能按照上面的4種情況運(yùn)行，智能小車在行進(jìn)中遇到的路徑情況是人為設(shè)定的，如圖2所示。

3.3 記憶庫(kù)的建立

智能小車的運(yùn)行狀態(tài)是人為設(shè)定的4種情況，記憶庫(kù)中的數(shù)據(jù)就是由這4個(gè)狀態(tài)標(biāo)志組成。人為設(shè)置好從起點(diǎn)到終點(diǎn)的障礙物后，即可讓小車在起點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行，并在每次改變運(yùn)行狀態(tài)前將運(yùn)行狀態(tài)記錄入庫(kù)。在到達(dá)終點(diǎn)后以180°掉頭作為結(jié)束標(biāo)志，然后利用Linux文件系統(tǒng)將記憶庫(kù)里的數(shù)據(jù)保存到Linux下的一個(gè)文件當(dāng)中，到此完成記憶庫(kù)的建立。