嵌入式智能運輸小車的設計

樓瓊蕙

（共青科技職業學院，江西 九江 332020）

0 引言

傳統智能小車的嵌入式系統通常使用單片機，也可以使用ARM嵌入式系統，從構成上來看，包括軟件系統和硬件系統。其中，硬件系統所發揮的功能是裁剪以及用于拓展。本文所介紹的嵌入式智能運輸小車，硬件環境采用xilinx的FPGA開發板搭建工程，根據擴展需要添加最小系統乃至IP核，其擴展是一對一實現的，不會造成資源浪費[1]。FPGA的嵌入式系統的應用中，可以發揮FPGA的并行執行效應，還可以有效控制嵌入式軟件的邏輯過程。

1 嵌入式智能運輸小車的總體方案設計

小車的主控制器是Spartan-6 FPGA，其應用成本低，功耗也比較低。傳感器所使用的攝像頭中安裝有圖像采集模塊，型號為ov6620。在采集信息的過程中，還可以測量路徑，使用具有測距功能的HCSR04超聲波模塊，兩者實現優勢互補，當小車處于運行狀態的時候可以有效控制。小車上安裝有電機，對于運轉速度的確定以及舵機轉角的確定需要應用模糊算法計算，使小車的各項操作穩步進行。

1.1 主控制器

主控制器采用的是可編程邏輯器件FPGA，即便是復雜的邏輯功能也可以實現。FPGA的體積小，不會占用很大空間，而且為大規模、高密度，有很高的穩定性，有豐富的IO資源，擴展外圍功能非常容易。FPGA的成本越來越低，搭建嵌入式系統具有可行性，不僅軟件靈活性較高，而且具備并行快速執行效率。所以，本設計所采用的主控制器是Nexys3 Spartan-6。

1.2 電源穩壓芯片

直流電機在運行的過程中會產生很大的功耗，這就決定了供電源需要使用7.2 V，2 000 mAh的電池，降壓芯片所使用的開關電源為LM25xx系列單片集成，輸出功率非常大，有很高的轉換效率，且具有穩定的性能[2]。

1.3 電機驅動

電機驅動所使用的是全橋驅動，使用BTS7960B搭建，即使輸出功率非常大也可以滿足，可以對兩個電機進行驅動。

1.4 攝像頭模塊

使用ov6620數字攝像頭，容易控制且成本低，信號有較高的穩定性。

2 系統硬件的設計

2.1 車體模型

在小車上安裝攝像頭，可以采用尋找黑線的方式對路線進行指引，發揮超聲波測量距離的作用，小車還可以自主控制速度。

2.2 電源模塊

輸入電源為7.2 V，輸出電源為5 V，且電源的輸入和輸出都有較高的穩定性[3]。

在電源模塊的設計中，主芯片是低壓差線性穩壓器，一共有4個，可以起到降壓的作用。為了避免用戶將輸入電源反接，可以使用集成防反接電路模塊。如果所使用的設備電流非常大，使用5 A通道效果會更好一些，設備得以順利驅動。

在電源模塊上有很多的引腳，非常適合智能小車，可以為傳感器供電，特別是各類傳感器以及核心板、電機等等都有不同的供電電壓，使用這個模塊更便于供電。為了保護好電源板，需要實施防反接保護措施，還需要實施短路保護和芯片熱保護等。

2.3 核心板

在設計核心板的時候微處理器起到核心作用，會對選擇其他硬件設備產生一定的影響。技術快速升級，微處理器的性能更加完善。ARM處理器的資源非常豐富，低功耗、低價格，有很高的性價比。ARM的Thumb指令是16位，處理器是32位，有很快的處理速度[4]。ARM的片內有非常豐富的外設資源，將自身的資源充分利用起來，外圍器件的控制功能就會有所增加。使用ARM微處理器還可以對操作系統移植，使智能小車更加智能化，運行效率更高。所以，在本設計中使用了ARM處理器。

2.4 循跡模塊

使用的數字傳感器中，在同一面上安裝光敏二極管和發光二極管各一只，一共安裝了8個傳感器。數字傳感器所發揮的功能是因為檢測面的顏色不同，對光會有不同的反射程度，在檢測顏色深淺的時候充分利用了不同檢測面產生不同的光敏電阻這一原理。在檢測的過程中，發光二極管發光，向檢測面照射，部分光線反射回來，光敏二極管對光線的強度進行檢測，轉換為機器人能夠有效識別的信號。數字傳感器的返回值為高低電平，模擬信號經過電壓比較器劃分為高電平信號和低電平信號。發揮電位器的作用，就可以對高電平信號和低電平信號的分界線進行調節，此為光靈敏度的調節。

3 系統的軟件設計

在對智能小車的軟件設計時，需要使用EDK工具安裝開發平臺，搭建最小的嵌入式系統，將芯片所對應的庫安裝好，進行開發環境的設置，主要用于軟件編程。接著進行模塊化的編程，按照每個環節的操作內容運行小車，使其能夠搬運物塊[5]。

在軟件設計中，對于外部硬件驅動可以使用IP核的形式在最小系統中添加，驅動核心代碼的編寫需要使用硬件描述語言，通過寄存器，軟件就可以對外部硬件驅動（見圖1）。

圖1 軟件結構

具體的操作中，小車接收到啟動指令后，開始自行移動，按照數字傳感器的返回值判斷行動路線，自主尋找行動的軌跡。當移動到指定位置之后，就開始對物塊的特征進行識別，使用鉤爪抓取物塊。返回的時候，同樣是選擇合適的路線，按照指令將物塊送到指定的位置[6]。

如果嵌入式智能運輸小車沒有完成搬運物塊的任務判斷，就要重復進行上面的操作程序，但是如果物塊擺放在不同的位置上，在尋找物塊和抓取物塊的時候，還需要對小車自身所在位置以及物塊所在的位置做出判斷，對返回的路線做出選擇，最終完成物塊的搬運，返回到起點。

4 實驗與分析

對所設計的嵌入式智能運輸小車進行實驗測試，所有的功能模塊都可以正常發揮作用，電機可以正轉也可以反轉，而且能夠調節速度。小車在運行過程中能夠正常循跡，小車的鉤爪能夠按照指令抓取物塊。嵌入式智能運輸小車完成任務之后，自動回到起點的位置。

5 結語

通過上面的研究可以發現，目前工業自動化正在向智能化方向發展，發揮智能技術的作用實現工業轉型，主要的目的是生產個性化產品，可以智能化操作，服務更加便捷。現在，智能技術已經滲入到整個工業生產周期，可以在傳感條件下完成智能化制造。智能產品通過傳感器的作用，可以發揮感知功能，實現人機交互，還可以應答、決策，使工廠的管理實現智能化。智能運輸小車作為輪式機器人在工業企業進行應用，能夠給工業生產運行和管理帶來諸多的便利。