基于S3C2440的嵌入式的智能小車控制

1、基于 s3c2440 的嵌入式智能小車控制系統(tǒng)設計肖成羅堅（湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，湖南長沙410000）摘要 ：介紹了以s3c2440 芯片（ arm9）為核心的嵌入式智能小車，主要由主控芯片、直流電機驅(qū)動模塊、視覺功能模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、超聲波測距模塊、測溫模塊、紅外避障模塊等組成。 自整定的模糊控制算法對小車速度進行閉環(huán)控制。并采用模塊化的設計方法完成智能小車的設計。關鍵詞：嵌入式；智能小車；pwm abstract：in this paper, an embedded smart car is introduced, which uses the s3c2440(arm9) a

2、s the core chip and achieved by modular design method. the car consists of the main chip, dc motor drive module, visual function module, data transfer module, ultrasonic distance measuring module, temperature measurement module, infrared obstacle avoidance module and other components. key words: emb

3、edded system, smart car, pwm 1 引言隨著電子信息業(yè)的不斷發(fā)展，智能移動機器人及相關技術(shù)研究已經(jīng)成為熱門。本文以全國高職院校智能小車競賽為背景，設計出了一種基于arm9 的智能小車控制系統(tǒng)，提高了對直流電機的控制效率，在arm 上移植了linux 操作系統(tǒng)，友好的人機界面，使開發(fā)過程變得容易。 并對控制系統(tǒng)進行模塊化設計，有利于智能小車的功能擴展和升級。設計了具有視覺、避障、測距、測溫功能，能實現(xiàn)自主線路識別的智能小車控制系統(tǒng)1-5 。 “pc+運動控制器”是目前開放式數(shù)控系統(tǒng)最常見的形式。主pc 用于人機界面、存儲和通訊，運動控制器部分作從屬cpu 來實現(xiàn)實時控制

4、、i/o 中斷和計算等。2、嵌入式智能小車整體功能嵌入式智能小車結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。嵌入式智能小車在巡航過程中有如下功能，尋跡功能、 紅外避障功能、 超聲波測距功能、溫度采集功能、 圖像采集功能、 圖像傳輸功能。 在沒有遇到障礙之前按尋跡功能在標記路線上巡航，但在尋跡過程中遇到障礙物體時能通過紅外探測到障礙物的具體方位并通過超聲波測量出障礙物的距離，而且可以根據(jù)測得距離進行避障決策，通過ds18b20 采集當前環(huán)境的溫度，判斷溫度是否在承受范圍之內(nèi)，通過攝像頭拍攝障礙物照片并保存到指定文件夾下，同時也可通過wifi將拍攝照片傳送到遠程控制臺，實現(xiàn)嵌入式智能小車自主漫游、自主判斷選擇適合的漫游

5、和躲避策略。圖 1 嵌入式智能小車結(jié)構(gòu)框圖3、嵌入式智能小車控制系統(tǒng)設計嵌入式智能小車控制系統(tǒng)包括以下模塊。（1）主控模塊本控制系統(tǒng)的的微控制器采用三星公司的s3c2440，它負責直流電機調(diào)速控制信號、尋跡信號、 紅外遇障信號、 圖像信號、 超聲波測距、 溫度等信號的采集和處理和與無線通訊終端的無線通信，從而實現(xiàn)對各功能模塊的全局協(xié)調(diào)控制。（2）直流電機驅(qū)動模塊為了更好的控制電機，我們采用l298 專用芯片驅(qū)動直流電機。該芯片內(nèi)含兩個h 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，l298 芯片采用標準ttl 邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，我們通過兩個輸入端（高、低電平）來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，由于

6、執(zhí)行的直流電機為感性負載，在晶體管橋上各反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管（二極管其保護作用）。本功能模塊的控制電路如圖2 所示，它是用s3c2440 芯片的 gpb0、gpb1 引腳來控制電機的使能，用gpg1、gpg10、gpe11、gpe13 引腳分別連接電機的左電機和右電機的正反轉(zhuǎn)控制，用tout0 、tout1 引腳控制左右電機頻率，用vcc、gnd 引腳連接電源和地。圖 2 直流電機驅(qū)動電路原理圖（3）紅外避障模塊如圖 3 所示，本模塊采用一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點， 可以廣泛應用

7、于機器人避障、流水線計件等眾多場合。為使小車能夠做出正確的判斷我們要先調(diào)解紅外光電傳感器的探測距離，這樣可以避免小車探測到過遠的物體而做出錯誤的判斷。光電開關傳感器有三條線，分別為電源、 地、輸出。將兩個紅外的輸出分別連接s3c2440的 gpf5 和 gpf6 引腳。小車運行過程中只需掃描gpf5 和 gpf6 兩引腳的狀態(tài)即可判斷有無障礙物。當檢測到目標為低電平時為探測到有障礙物，反之沒有障礙物。圖 3 紅外避障模塊電路圖（4）超聲波測距模塊本模塊采用渡越時間法測距6 ，即超聲波傳感器向空氣中發(fā)射聲脈沖, 聲波遇到被測物體反射回來 , 若可以測出第一個回波達到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差t,

8、利用12svt,即可算得傳感器與反射點間的距離s , 測量距離22()2hds,若 sh 時 ,則 d s。 （h、s、d關系如圖4 所示）對于接收探頭，因為接收的超聲波信號很微弱而且考慮到干擾的因素，接收端有放大電路與濾波電路。 當接收到超聲波時，io 口即為高電平， 通過 io 口來確定是否檢測到超聲波，因此通過計算測的距離障礙物的距離然后就可以判斷是否轉(zhuǎn)彎。圖 4 h 與 s 和 d 的關系（5）溫度采集模塊本模塊采用“ mcu+ 傳感器 +終端顯示設備”的總體設計方案，要求mcu 對溫度傳感器發(fā)送指令采集外部溫度信息，將采集的溫度信息存放在外部存儲器中，同時發(fā)送指令獨進行讀取存儲器中溫

9、度數(shù)據(jù)，并計算轉(zhuǎn)換成攝氏度，顯示在超級終端上。其中 mcu 采用 s3c2440；傳感器采用 “ds18b20 溫度傳感器”；顯示設備采用無線通訊終端。溫度采集模塊框圖如圖5 所示。s3c2440溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫溫vccgnd圖 5 溫度采集模塊框圖（6）圖像采集、處理模塊本功能模塊的主要內(nèi)容是：運用s3c2440 的 gpio 接口編程，通過對攝像頭發(fā)送指令采集圖像，以指定的格式大小保存在指定文件夾下，并利用wifi無線傳輸?shù)竭h程宿主機上。實現(xiàn)遠程監(jiān)控。通過s3c2440 的 gpio 接口控制 ov9650 攝像頭采集圖像，因為攝像頭采集到的是 16bit 的 rgb 流，

10、 libjpeg 庫提供的壓縮程序?qū)⑵鋲嚎s并保存成jpg 文件，可是該庫只能壓縮 24 位的， 于是先將rgb565 轉(zhuǎn)換成 rgb24 再調(diào)用該庫的壓縮函數(shù)壓縮成所需的jpeg圖片，最后保存無線通訊終端，實現(xiàn)遠程訪問。4、嵌入式智能小車控制系統(tǒng)軟件設計通過程序設計實現(xiàn)對嵌入式智能小車的平穩(wěn)運行控制。計算出合理的pwm 值使嵌入式智能小車在啟動與停止時平穩(wěn)加減速，尋跡時運用數(shù)自整定的模糊控制算法對小車速度進行閉環(huán)控制。該算法通過對尋跡路徑的偏差及偏差的導數(shù)進行模態(tài)劃分，產(chǎn)生對應的控制規(guī)則，控制舵機的轉(zhuǎn)角，以達到消除偏差的目的。小車在前進過程中，根據(jù)不同的路況給出不同的速度給定值， 通過模糊控制

11、器進行速度調(diào)節(jié)，以縮短小車的速度控制響應時間，減小穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)將小車的角度變化率反饋給模糊控制器，通過修正規(guī)則進行模糊參數(shù)的自整定。圖6 是嵌入式智能小車模糊算法尋跡流程圖。開始讀取信號結(jié)束取得偏差量yes模糊化查表得控制量反模糊化輸出圖 6 模糊算法尋跡框圖5、嵌入式智能小車運行檢測嵌入式智能小車的控制方式有三種：無線通訊終端控制、手動控制、window 超級終端控制。 通過無線通訊終端發(fā)送啟動、停止命令， 可讓嵌入式智能小車完成尋跡、任務探測或者自主漫游任務。 并且能把任務途中探測、采集的信號以及其他的狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)綗o線通訊終端進行數(shù)據(jù)檢測對比及評分。如圖 7 所示， 經(jīng)過嵌入式產(chǎn)品開發(fā)

12、項目競賽表明，嵌入式智能小車運行平穩(wěn)，實時性好，完成任務準確。圖 7 無線通訊終端6、結(jié)論該智能小車尋跡控制系統(tǒng)采用模糊算法尋跡，使得嵌入式智能小車的行駛更具有主動、廣泛性。 該智能小車還采用了高精度紅外、超聲波避障模塊和溫度檢測模塊，提高了智能小車行駛的安全性。 采用功能強大的arm 嵌入式系統(tǒng)與智能控制。嵌入式對智能小車的控制系統(tǒng)進行模塊化設計，有利于小車功能的進一步升級和改進，提高了系統(tǒng)設計效率。本系統(tǒng)可以作為移動機器人的載體，在技術(shù)成熟以后可以應用于門禁系統(tǒng)、小區(qū)巡邏、 實地勘測、智能玩具等領域。參考文獻：1王華慧 pwm波形 的計算機仿 真j紹 興文 理學院學報， 2005，(6) 2欒 寶 寬 ， 方 蕾 ， 馮永 浩 基 于dds的 信號 發(fā) 生 器 的設 計與實現(xiàn) j 電子工程師，20053 李磊，葉濤，譚民，等.移動機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來j. 機器人， 2002 （05） ；475-480 4 魯濤， 原魁， 朱海兵 .智能輪椅研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢j.機器人技術(shù)與應用，2008（02） ；1-5. 5 章小兵，喬茹，趙光興. 基于改進蟻群算法的移動機器人全局路徑規(guī)劃j.機電工程，2009（03） ；91-93.