基于ARM嵌入式的智能小車控制系統設計研究

呂純

摘 要：人們無法進入惡劣環境長期工作，而智能小車的出現解決了這個難題。智能小車集多種自動化技術于一體，具有很好的可擴展性，實現了高性能、低功耗的功能。本文介紹了智能小車研究現狀，分析了智能小車的總體框架，繼而構建ARM嵌入式智能小車控制系統的硬件及軟件平臺。最后通過聯合調試，驗證智能小車控制系統的可行性與穩定性，從而實現智能小車的遠程跟蹤和遠程監控。

關鍵詞：ARM;嵌入式;智能小車;控制系統

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）29-0017-04

Design and Research of Intelligent Car Control System

Based on ARM Embedded

LYU Chun

（Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi Jiangsu 214151）

Abstract： People can't enter the harsh environment for a long time， and the emergence of smart cars solves this problem. The smart car integrates multiple automation technologies and has excellent scalability to achieve high performance and low power consumption. This paper introduced the research status of smart cars， analyzed the overall framework of smart cars， and then built the hardware and software platform of ARM embedded smart car control system. Finally， through the joint debugging， the feasibility and stability of the smart car control system were verified， so as to realize the remote tracking and remote monitoring of the smart car.

Keywords： ARM;embedded;smart car;control system

在現代化產業不斷進步的今天，各行各業分工明確，行業職業病越來越明顯。因此，人們利用智能化的高科技技術，采用某種機器代替高難度、重復、危險的工作，以實現工作自由。智能機器人在軍事、工業領域應用廣泛，可以更好地幫助人類提高生產效率及生產質量。隨著人類活動領域的不斷增加，機器人的應用領域正在不斷擴大，如海洋開發、空間探測、地質勘探、醫療保健、娛樂服務等。本文所研究的智能小車也屬于機器人的范疇。智能小車類似于一個智能微型車，自助駕駛，實時獲取圖像，并通過無線網絡將獲取的圖像進行傳輸，遠程監控也是其中的一個重要功能。智能小車采用計算機編寫的程序控制小車的啟動、暫停、方向，不需要人為干預，是典型的高新技術集合體。因此，對該類領域進行研發，對人們未來的工作和生活將會有極大的幫助。

1 智能小車總體框架設計

1.1 層次架構設計

基于ARM嵌入式的智能小車控制系統架構如圖1所示。

網絡視頻監控層需要由PC機與Web視頻服務器共同完成，PC機主要由路由器與無線網卡連接而成，視頻數據主要通過無線通信模塊進行傳輸。網絡視頻監控層實現了智能小車在運動過程中的監控[1]。策略應用層是整個架構的重要組成部分，主要是對嵌入式操作系統、驅動程序進行檢查。小車的控制層是整個控制系統的關鍵層;傳感器則是智能小車的指示單元，可以實現小車的穩定行駛。小車上的攝像頭可以對沿途的信息進行采集，形成圖像后通過無線通信模塊進行發送。小車機械層是智能小車系統的最底層，同時也是整個控制系統的重要被控制對象[2]。

1.2 軟硬件分析

智能小車是在ARM嵌入式操作系統下進行構建的，其構成有硬件、軟件以及操作系統。硬件系統主要由ARM9電路板構成;軟件部分由驅動程序構成，應用程序通過該接口對硬件設備進行操作，可以讓整個系統的軟件與硬件測試同時進行;操作系統主要由內核、電路構成[3]。

嵌入式系統以應用程序為核心，軟硬件相結合。對嵌入式系統而言，硬件是整個系統的中堅力量，而軟件則是整個系統的靈魂，是系統的血液。現今人們所使用的所有嵌入式系統，都需要采用嵌入式軟件為系統提供靈活剪裁與特定的制作功能。在進行智能小車設計時，微處理器是整個硬件設計部分的關鍵，是完成尋跡模塊的重要配件，通過攝像頭采集路面信息，從而完成與PC機的通信[4]。為了更好地實現系統的實用性，采用RISC結構的微處理器作為整個系統的核心，幫助系統完善更多的功能。

1.3 基于ARM的智能小車整體架構設計

智能小車控制系統整體設計框架如圖2所示。

硬件部分由核心板、主控板、驅動板和采集板等多種電路組成。軟件部分在Linux操作系統下對系統進行整體把控，以完成對圖像的采集，通過嵌入式系統，編寫圖像采集程序，以實現Boa Web服務器的轉移[5]。通過Java平臺，它可以實現智能小車采集實時路面情況的功能。

2 智能小車控制系統硬件設計

智能小車硬件平臺是整個控制系統的基礎，采用模塊化設計進行硬件設計，讓整個系統可以更方便地安裝在智能小車中。智能小車控制系統的硬件平臺如圖3所示。

2.1 核心板

ARM在智能小車中非常重要，是整個處理器運行的基礎，因此在進行構建時，需要讓嵌入式處理器運行起來。根據設計需求逐漸添加系統的外部設備，從而實現系統的特定功能。以S3C2440A處理器為核心，將帶有該芯片以及其他的核心部件封裝在一起，可以達到較強的通用性功能[6]。

2.2 主控板

主控板電路主要根據智能小車的需求，對核心板中各種接口進行連接，并為電路提供電源。

2.3 穩壓電源

穩壓電源的主要目的是控制智能小車能夠穩定運行，為控制器提供可運行能源，也可以控制小車的速度與方向。整個系統采用鋰電池進行供電，驅動板與主板之間采用光耦進行連接，隨著電量的使用，電壓值不斷改變，且需要讓小車的電壓穩定在10.2V，才能夠完全滿足設計要求。

2.4 尋跡電路

尋跡電路模塊直接影響到小車的尋跡運行方向，小車的軌道為黑色軌跡，采用紅外光電傳感器組件進行檢測，紅外光傳感器是一種光電開關，采用紅外光電二極管與高靈敏度組成，信號穩定。這種紅外光電管是最常用的一種檢測方式，根據不同的材料對光線進行吸收，當紅外光線經過白色線時，其處于疏通狀態[7]。輸出的高低電會介入到ARM中，通過算法進行判斷，并輸出信號，從而控制小車的速度和方向。

2.5 圖像采集

智能小車可以對控制系統中的領域算法進行驗證，攝像頭可以決定智能算法的工作方式，Linux內核驅動支持多種芯片的攝像頭，但這些攝像頭的采集效果不一。本系統采用中星微電子公司的ZC0301芯片攝像頭，該攝像頭可以為系統提供良好的圖像處理功能。

3 智能小車控制系統軟件設計

3.1 軟件程序總體設計

智能小車的軟件程序設計包含了多種應用程序的開發，在Linux系統下，所有的設備都是一個個獨立存在的文件[8]，設備中的驅動程序將會作為Linux操作系統連接內部與外部的接口，讓系統看起來像一個完整的系統。應用程序均采用統一的接口，并向內部接口提出請求，并調用相應的驅動程序，從而完成整個智能小車的軟件程序設計。其設計流程如圖4所示。

3.2 系統開發原理

設備驅動程序都是在特定的條件下進行編寫的，嵌入式Linux設備驅動程序中包含了自動配制初始化、I/O端口、終端服務等功能。驅動程序支持同一類型多個子程序，當調用中斷服務時，需要通過設置多個參數來保證設備的唯一性。驅動程序在Linux系統下的位置處于最末端，應用程序層位于最高層[9]。Linux內部封裝了設備的驅動程序，內部的程序無法對應用程序進行直接訪問，這樣做的目的是增加系統的安全性。

3.3 設備驅動設計

當USB接口插入主控板后，需要先初始化USB總線，發送數據請求，由控制器完成數據的接收，并與最底層的硬件進行數據傳遞與交互。最底層的硬件被USB驅動隱藏，需要由USB設備驅動完成應用層軟件的工作。驅動程序的設計如下。

一是圖像采集，程序設計如下。

<*>usb SPCA5XX Sonix jpeg Cameras

Multimedia devices --->

Video For Linux? ?//加載 Video For Linux 模塊

USB support? ?--->

二是無線網卡，程序設計如下[10]。

#tar xjvf 2009_0713_RT73_Linux_STA_Drv1.1.0.3.tar.bz2? ? //解壓

cp Module/* /home/linux-2.6.31/drivers/usb/net/rt73? ? ?//新建文件夾

config RT73

tristate "support rt73 wireless usb network device"

depends on USB && NET && USB_USBNET//修改

4 仿真測試

4.1 速度測試

采用卷尺對智能小車的軌跡進行測試，測試結果如表1所示。

4.2 轉向測試

采用量角器對智能小車的偏移進行測量，采用卷尺對智能小車的距離進行測量，利用秒表記錄小車的所需時間。測試結果如表2所示[12]。

4.3 圖像采集測試

無線網卡可以對圖像采集進行測試，首先要將采集到的圖像保存在電腦目錄中，當緩存到一定數量時會自動停止采集[14]，所使用的時間大概為30s，表示智能小車控制系統在無線傳輸的情況下沒有出現延遲，畫面流暢。

4.4 無線傳輸距離測試

采用ping命令，測試無線網絡傳輸的速度。例如，ping 221.33.14.23后發送了255個數據包，接收到240個數據包，則丟失率為1.06%。

4.5 視頻監控測試

將串口線、網線與電腦相連接，啟動終端后加載攝像頭模塊，并將攝像頭模塊插入到目標板中。啟動服務器后，通過終端將圖像的大小設置為640×480[15]。在終端上輸入啟動命令，打開Java運行下的瀏覽器，輸入IP地址，就可以看到視頻監控的畫面。

5 結語

基于ARM的智能小車控制系統，是一款高性能、低消耗的智能控制系統，采用ARM9電路板、Linux嵌入式系統作為智能小車控制平臺的硬件平臺與軟件平臺，可以實現圖像采集處理、無線傳輸以及視頻監控的功能。最后通過試驗驗證，ARM嵌入式控制系統可以讓智能小車完美地實現無線視頻監控，從而實現更好的尋跡效果。

參考文獻：

[1]侯益坤，侯聰玲，劉益標，等.基于ARM嵌入式的智能小車的控制系統設計[J].機電工程技術，2010（1）：21-23.

[2]潘曉貝.基于ARM嵌入式的智能小車的控制系統設計研究[J].時代農機，2018（3）：141-142.

[3]賈玉雷.基于嵌入式ARM-Linux的智能車無線監控系統研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.

[4]車亞進.基于嵌入系統的智能車輛出入管理系統設計[J].自動化與儀器儀表，2017（4）：28-30.

[5]阮文進.基于ARM9的嵌入式智能小車設計與實現[J].中國新通信，2015（22）：34-35.

[6]林粵偉，牟森，姜海君.基于ARM和嵌入式Linux的智能小車技術實踐[J].計算機系統應用，2018（8）：241-246.

[7]申忠宇，鄭啟文，王川，等.無線通信網絡的多智能小車編隊控制系統[C]//2013年中國智能自動化學術會議.2013.

[8]基于ARM的升降橫移式智能立體車庫控制系統設計[D].天津：天津工業大學，2016.

[9]郝常秀.基于嵌入式ARM的電動汽車智能充電系統的設計[J].科技創新導報，2019（6）：86-87.

[10]涂鋼，高冬冬，尹其暢.嵌入式智能家居控制系統設計與實現[J].物聯網技術，2014（11）：19-21.

[11]張曉明.基于嵌入式的智能小車設計[J].現代制造技術與裝備，2016（6）：73-74.

[12]周澄.基于ARM的嵌入式智能儀器系統設計[J].裝備制造技術，2013（11）：87-88.

[13]潘曉貝.基于ARM嵌入式系統的智能家居系統設計研究[J].江西電力職業技術學院學報，2018（8）：15-16.

[14]王蘇蘇.基于ARM嵌入式智能家居系統的設計與實現[J].無線互聯科技，2013（5）：77.

[15]于明軍，韓錚，王云，等.智能車嵌入式實訓系統項目設計[J].實驗室科學，2017（4）：24-26.